ilmesi mümkün değildir. Evrimleşmenin olmadığı böyle bir genetik denge durumu, genetik değişimleri ölçmek için bir temel sağladığı için ideal bir durumdur.

Eğer aşağıdaki koşulların tümü gerçekleşirse bir popülasyonun alel frekansı nesiller boyunca değişme göstermeden sabit kalır:


İki alelli tek bir lokusun en basit şekliyle var olduğu bir durumda, A baskın aleli, a ise çekinik (resesif) aleli ifade eder, onların sahip olduğu frekanslar da p ve q ile gösterilir: frekans (A) = "p"; frekans (a) = "q"; "p" + "q" = 1. Eğer popülasyon dengeli bir popülasyon ise, bu durumda frekans (AA) = "p" popülasyondaki AA homozigotları için, frekans (aa) = "q" ise aa homozigotları için ve frekans (Aa) = 2"pq" de heterozigotlar için olacaktır.

Popülasyon genetiği matematiği, aslında Modern evrimsel sentezin bir parçası olarak geliştirilmişti. Beatty'e göre (1986), modern sentezin temelini tanımlar.

Richard Lewontin'e göre (1974), popülasyon genetiğinin teorik görevi, şu iki alana dahil olan bir süreçtir: "genotipik alan" ve "fenotipik alan". Eksiksiz bir popülasyon genetiği teorisinin oluşturabilmesinin altında yatan zorluk, popülasyonun genotipi (G1)'den seçilimlerin meydana geldiği fenotip (P1) alana kadar uygun bir haritaya dair bir dizi yasaların oluşturulmasının yanında, dönüşümün tamamlanması için, Mendel genetiğinin gelecek nesil genotipleri önceden tahmin edebileceği başka bir takım kanunların da oluşturulması gerektiğidir. Hatta şu an için bile, moleküler genetiğin Mendel'in görüşleri dışında kalan diğer yönleri de bir kenara bırakıldığında, bu, açıkça çok büyük ve zor bir görevdir. Şematik olarak bu dönüşümün görselleştirilmiş hali:

(Richard Lewontin'den uyarlanmıştır 1974, S. 12). XD

"T", genetik ve epigenetik yasaları, işlevsel biyolojinin görünüşünü ve bir genotipi fenotipe dönüştüren gelişimi gösterir. Biz, buna "genotip-fenotip haritası" diyeceğiz. "T", doğal seçilimden dolayı oluşan dönüşüm, "T", seçilen fenotipler temelinde ortaya çıkacak genotipleri önceden tahmin edebilen epigenetik ilişkiler ve nihayet "T", Mendel genetiği kurallarıdır.

Uygulamada, evrimsel teorinin birbirine paralel olarak mevcut olan iki gövdesi bulunur, genotip alanda etkinlik gösteren geleneksel popülasyon genetiği ve fenotip alanda faaliyet gösteren, bitki ve hayvan ıslahında kullanılan biyometri teorisi. Bunların tamamlanmamış ve eksik kalan parçası ise, genotip ve fenotip alanları arasındaki eşleştirme haritasıdır. Bu, Lewontin'in tanımladığı üzere, bu sayede bir alan denklemindeki değişkenlerin parametreler ve konstantlar olarak sayılıp geçerli olduğu, tam bir değerlendirmede evrimsel bir süreç tarafından kendiliklerinden dönüştükleri ve diğer etki alanlarındaki konum değişkenlerin gerçek fonksiyonlarında olacağı bir "el çabukluğuna" yol açar. İfade edilen "el çabukluğu", bu karşılaştırma haritasını bildiğimizden yola çıkar. Eğer bunu kavramış olmamızdan yol çıkarsak, birçok ilgi çeken durumları analiz etmek yetecektir. Örneğin, fenotipin hemen hemen genotiple birebir olduğu bir durumda (Orak hücre anemisi) veya zaman ölçeğinin yeterince kısa olduğu bir durumda, değişmezler (konstantlar) değişmez olarak geçerli olabilecektir. Ancak, bunların hatalı oldukları birçok durumlar mevcuttur.

Doğal seçilim, bir organizmanın hayatta kalmasını ve başarılı şekilde üremesini daha olasılıklı hale getiren kalıtsal özellikleri, nesiller boyunca popülasyonda daha yaygın hale getiren süreçtir.

Bir canlı popülasyonu içindeki genetik değişkenlik, bazı bireylerin mevcut yaşam ortamlarında diğerlerinden daha başarılı bir şekilde hayatta kalacağı anlamına gelir. Üreme başarısını etkileyen faktörler, Charles Darwin'in cinsel seçilime dair geliştirdiği fikirlerin konusu olarak da önemlidir.

Doğal seçilim, fenotiplere veya bir canlının gözlemlenebilir özelliklerine etki eder, ancak üreme avantajı sağlayan herhangi bir fenotipin genetik (kalıtsal) tabanı, bir popülasyona daha yaygın hale gelecektir (bakınız: Alel frekansı). Zamanla, bu süreç, canlıyı belli ekolojik nişler için özelleştiren adaptasyonlara ve sonunda yeni türlerin ortaya çıkmasına neden olur.

Doğal seçilim, modern biyolojinin temel taşlarından biridir. Bu terim, Darwin tarafından, 1859'da, hayvan yetiştiricileri ve çiftçiler tarafından hayvanların ve bitkilerin istenilir özelliklerinin üreme için sistematik olarak tercih edildiği süreci tanımlayan yapay seçilimin kıyaslanarak doğal seçilimin nasıl işlediğini anlatan ve tarif eden "Türlerin Kökeni" adlı çığır açan kitabında sunulmuştur. Doğal seçilim kavramı, aslında geçerli bir kalıtım teorisinin yokluğunda gelişti, zira Darwin'in yazdığı dönemde, Modern genetik hakkında hiçbir şey bilinmiyordu. Geleneksel Darwinci evrimin birleştirilmesi, klasik ve moleküler genetikte daha sonra yapılan keşiflerin Modern evrimsel sentez adı altında bir araya getirilmesiyle olmuştur.

Genetik sürüklenme, popülasyon içinde rastgele örnek alımına ve şansa bağlı olarak bir gen varyantının (alel) ortaya çıktığı göreli frekansın değişimidir. Bunun anlamı, popülasyondaki yavru neslin alelleri, ebeveyndeki alellerin rastgele bir örneğidir. Şans ise, belli bir bireyin hayatta kalıp kalmayacağını ve üreyip üremeyeceğinin belirlenmesinde rol oynar. Bir popülasyonun alel frekansı, ortak bir form paylaşan gen alellerin toplam sayısı ile karşılaştırıldığında, bu genlerin kopyalarının bir yüzdesi veya kesir sayısıdır.

Genetik sürüklenme, zaman içinde alel frekansında değişikliklere yol açan evrimsel bir süreçtir. Genetik sürüklenme, bir gen varyasyonun tamamen kaybolmasına ve böylece genetik değişkenliğin azalmasına neden olabilir. Üreme başarılarına bağlı olarak, gen varyantlarını daha sık veya daha az yaygın hale getiren doğal seçilimin aksine, genetik sürüklenme nedeniyle oluşan değişiklikler, çevresel veya adaptif baskılar tarafından uyarılmazlar ve üreme başarısı için yararlı, nötral veya zararlı olabilirler.

Genetik sürüklenmenin etkisi, küçük popülasyonlarda büyük, büyük popülasyonlarda ise küçüktür. Genetik sürüklenmenin, doğal seçilim ile karşılaştırıldığında göreli önemi, bilim insanları arasında ateşli tartışmalarla sürmektedir. Ronald Fisher, genetik sürüklenmenin evrimde ancak çok küçük bir rol oynadığı görüşündeydi ve bu görüş, birkaç on yıl boyunca hakim bir görüş olarak kalmıştı. Ancak, 1968 yılında Motoo Kimura, genetik materyaldaki değişikliklerin çoğunun genetik sürüklenme tarafından oluşturulduğunu öne sürdüğü Moleküler evrimin nötral teorisi ile bu konudaki tartışmaları tekrar başlatmıştır.

Mutasyonlar, hücre genomundaki DNA dizilimlerinde meydana gelen değişiklikler olup radyasyon, virüsler, transpozonlar ve mutajen kimyasalların yanında, mayoz bölünme ve DNA replikasyonu sırasında oluşan hatalar sonucu meydana gelirler. DNA hataları, özellikle DNA replikasyonu sürecinde, ikinci iplikçik polimerizasyonunda anlatılmıştır. Bu hatalar, hipermutasyon gibi hücresel süreçler tarafından oluşturabileceği gibi organizmanın kendisi tarafından da başlatılabilir.

Mutasyonlar, özellikle bir genin protein kodlama dizisinde meydana geldiklerinde, bir organizmanın fenotipi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olabilirler. Hata oranları, DNA polimerazların "redaksiyon" yeteneği nedeniyle genellikle çok düşüktürler (her 10 milyon ile 100 milyon baz çiftinde bir hata). Redaksiyon olmadan, hata oranları, bundan bin kat daha yüksektir. DNA'daki kimyasal hasar, doğal nedenlerle de oluşabilir ve hücreler, bu uyumsuzlukları ve DNA parçalanmalarını onarmak için DNA onarım mekanizmaları kullanırlar. Bununla birlikte, onarım, bazen DNA'nın başlangıçtaki özgün dizisine tekrar kavuşmasında başarısız olabilir.

DNA ile rekombine edilmiş genleri birbirlerine dönüştürmek için kromozomal parça değişimi kullanan organizmalarda, mayoz bölünme sırasında oluşan hizalama hataları da mutasyonlara yol açabilirler. Krosover hatalarının oluşması, benzer dizilerin, ortak kromozomların yanlış bir dizilenmeyi benimsemesine yol açtıklarında özellikle muhtemeldir. Bu da, genomların bazı bölgelerinin bu şekilde mutasyona uğramalarını daha yatkın hale getirir. Bu hatalar, duplikasyon, tüm bölgelerin delesyonu (silinmesi) veya inversiyonu (180 tersine dönerek bağlanması) ya da translokasyon denilen, bir 
kromozomun kaybolan parçasının ya da kopan bir parçasının başka bir kromozoma yapışması gibi DNA dizilimlerinde büyük yapısal değişiklikler yaratır.

Mutasyonlar, DNA dizilimlerinde farklı biçimde değişimlere yol açarlar; bu mutasyonların ya herhangi bir etkileri yoktur ya da gen ürününü değiştirirler veya genin işlevini görmesini engellerler. Drosophila melanogaster sineği üzerinde yapılan çalışmalar, gen tarafından oluşturulan bir proteinin mutasyonunda, bu mutasyonun yaklaşık %70'inin zararlı etkilere sahip olduğunu, geri kalanının ise ya nötr ya da zayıf faydalı etki gösterdiğini ortaya koymaktadır. Mutasyonların hücreler üzerinde sahip olabileceği zararlı etkiler nedeniyle, organizmalar, bu mutasyonları gidermek için DNA onarımı gibi mekanizmalar geliştirmişlerdir. Bu nedenle, bir tür için en uygun mutasyon oranı, zararlı mutasyonlarda olduğu gibi yüksek mutasyon oranının yol açtığı maliyetler ile DNA onarım enzimleri gibi mutasyon oranını azaltan koruma sisteminin sahip olduğu metabolik maliyetler arasında bir gelir gider dengesi veya uzlaşma oluşturma çabasıdır. Genetik materyal olarak RNA kullanan virüsler, sürekli ve hızlı bir şekilde çoğalıp geliştikleri için onlara avantaj sağlayan hızlı mutasyon oranlarına sahiptir ve bu şekilde insan bağışıklı sistemi gibi savunma mekanizmalarını atlatabilir ve reaksiyonlardan kaçabilirler.

Genellikle genetik rekombinasyon yoluyla mutasyonlar, kopyalanmış büyük DNA parçaları içerebilirler. Bu duplikasyonlar, her milyon yılda, onlarca ve yüzlerce genin hayvan genomlarında kopyalanarak yeni tür genlerin evrilmesinde önemli bir hammadde kaynağıdır. Çoğu genler, daha büyük bir gen ailesine ait olup ortak atalara sahiptirler. Yeni ortaya çıkan genler, çeşitli yöntemler ile oluşurlar; genellikle atasal bir genin duplikasyonu veya mutasyonu sonucu ya