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但达尔文的知识还有不完整的地方。他认为地球只有3亿年的历史，在这个时间内，不足以发生所有的变化。而且，对于基因突变的机制，他尚不理解。直到1953年，两位分子生物学家詹姆斯·沃森（James Watson,1928—）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick，1916—2004）在剑桥大学的卡文迪许实验室弄清楚了DNA结构、遗传的分子基础等问题，人们才理解了基因突变机制。
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以下是沃森和克里克已经明确的问题：DNA是脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid）的缩写，是每个细胞中心的一个大分子，结构类似于扭曲的梯子。梯子两侧是糖分子，梯级由4个碱基分子构成。4个碱基分别是腺嘌呤［A］和胸腺嘧啶［T］，胞嘧啶［C］和鸟嘌呤［G］。只有A和T，G和C相互吸引，适配良好。每个梯级上都有一对碱基分子，是AT、TA、GC、CG 4种中的一种。DNA在碱基对的中间分裂开，复制自己。最初的双螺旋线分裂成两半，每一半都吸引互补碱基，就这样形成了两个原始基因的副本。
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目前，进化论是生物学领域的核心理论或核心思想。换句话说，进化论是生物学的核心范式。生物学家之所以依然称进化论为“理论”，是因为这是科学家遵循的一种传统（参见第1章）：任何思想，只要有足够的证据支撑，科学家就将其称为理论。从早期生物进化为现代生物，科学家已经有了坚实的证据，进化论旨在对这些观察做出解释。不断出现的新的发现，也有助于准确解释进化的过程。
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生命的出现
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所有生物体均由细胞组成，或者是单细胞，或者是一组细胞。生物学家认为，最早的生物体都是单细胞生物，跟现在的单细胞生物一样，但由于太小，肉眼无法看到。最初的生物体是从无生命的分子集合自然产生的——那些分子在大约几百万年间越变越复杂。
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DNA的结构和复制DNA
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从碱基对的中间一分为二，复制自己。每一半吸引另一个糖分子链和互补碱基，形成与原始DNA一致的新分子。基因是更大的DNA分子序列上的较小的分子序列。
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活细胞是什么元素组成的？最常见的4种元素是氢、氧、碳和氮，还有少量的硫和磷。这些原子构成分子，而这些分子可以分成4个大类：构成结构、提供机能的蛋白质，储存能量的碳水化合物，不溶于水、在水中形成膜的脂质，以及核酸（核酸指导细胞如何构成合适的蛋白质，并指导细胞如何繁衍）。
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地球上的第一个活细胞究竟是怎么诞生的？这件事情发生的顺序，现在依然是个谜，或许它仅次于“宇宙从何而来”这个最大的谜团。不过，生物学家已经收集了大量的证据，能大体勾勒出第一批活细胞诞生的过程。
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其中的矛盾在于：活细胞既有蛋白质，也有核酸。蛋白质由氨基酸构成（多数是碳、氢、氧和氮），而核酸中另外还包含磷。核酸携带基因指令，可以是具有双链的（脱氧核糖核酸DNA），也可以是只有一个单链的（核糖核酸RNA）。
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那么到底先有哪个呢：蛋白质还是DNA/RNA？它们是按哪种顺序出现的呢？是一同演化产生的，还是先有一个再有另一个？或者是二者在不同的原始细胞内演化，然后结合在一起？还没有人能解答这个问题。生物学家认为RNA可能先于DNA出现，因为RNA较简单，而且在细胞中还有许多其他功能。
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科学家推测，当生物体在某个地方的水体中出现时，在类似细胞的球内，复杂分子结合在一起，外部有膜，起到保护作用。它们能够吸收其他原子和分子，并且能够分裂复制。最早的原始细胞如何保留有用的基因改变，尚不清楚。
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地球上一部分最早的生命存在的时期，好像与小行星撞击地球最频繁的时期相吻合。2014年12月，一份实验报告表明，捷克共和国首都布拉格的一些生物化学家做了一个实验，用强大的激光照射一份化学溶液。这是模仿高速运行的小行星撞击地球时产生的能量。实验结果表明，激光的热量可以产生4种形成RNA所需要的基本化学成分，这为目前的理论提供了支持。
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说到小行星，一些科学家认为构成蛋白质的最早的氨基酸，或许就是陨石带到地球上的。氨基酸分子是在太空中自发形成的。1969年，科学家在南极洲冰层里的陨石残片以及澳大利亚的默奇森河的陨石残片中，发现了很多不同的氨基酸。研究发现这些氨基酸已有45亿年的历史，共包含地球蛋白质成分中涉及的8种氨基酸。
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地球上的第一个活细胞是何时出现的？一类叫作“叠层石”（一层层的单细胞生物化石）的化石给了我们惊人的答案。地球形成后不到10亿年，生命就开始形成并演化。叠层石可追溯到34亿年前，那时生物体已经可以利用太阳光获取能量了（光合作用）。进化需要些时日，于是科学家推测最早的生命大约出现于38亿到35亿年前。
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还有最最令人吃惊的：我们所知道的生命仅出现了一次，而且无疑出现在水里——或许是大海里的某处，可能在海底的某个火山口，那里可以提供源源不断的能量流。地球上的每个生物都有相同的遗传密码，也就是说每个生物都是同一个单细胞生物的后代。很快，那个细胞的后代遍布海洋各处，消耗有机原料，降低了其他类型细胞出现的可能性。生物学家称第一个细胞为所有生物的“最终共同祖先”（Last Universal Common Ancestor，缩写为LUCA）。
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所有生物都是从LUCA进化而来的。初期，它们都是单细胞的形式。目前，生物学家将它们分为3类：古细菌、细菌（两者均没有细胞核）以及真核生物（包含一个细胞核）。但对于如何给生物分类，生物学家依然有争议。
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生命之树
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此图是生物分类的一个版本。对于究竟如何绘制生命之树，生物学家意见不一。但无论如何，人类都是动物的一个小分支，在此树上甚至都没有标注出来。
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几十亿年的细菌
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细菌生龙活虎地进化了20亿到30亿年后，才出现了多细胞植物和动物。那段时期内，细菌产生了4次革新，它们越来越复杂，也改变了它们所在的星球——光合作用、呼吸、单核细胞和有性繁殖。
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最早的细菌所需的食物开始耗尽。或许当时它们只是随意吃点附近的化学成分，但最终这些开始变得稀缺。有一些变异使得细菌开始用空气、阳光和水生产自己所需的所有分子——真是个惊人的革新！
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