达尔文回国后，整理了考察中搜集的大量资料，陆续发表了有关生物学及地质学的考察报告，其中包括《贝格尔舰所经各国的地质及博物调查日记》、《贝格尔舰航行动物志》，以及三册有关珊瑚礁、火山岛的地质报告。他在地质学著作中，提出环礁是因海底下沉、珊瑚向上堆生而成的著名论断。5年的旅行考察更促使他思索物种起源问题。他研究了各方面的大量证据，逐渐认识到，形形色色的物种实际都是由共同的祖先进化而来的。他通过植物栽培和家畜驯养的事例，发现进化的原因可能是大自然对生物采取了类似的选择方式——优胜劣汰。他还注意到生物界中普遍存在着个体差异；适应环境的物种可以滋生繁衍取得生存优势，不适应环境者及遭到淘汰，甚至会带来整个种群的灭绝。他从马尔萨斯（Thomas Robert Malthus,1766.02.14-1834.12.29）的《人口论》中得到启发：每个物种都具有巨大的繁殖潜力，但存活者只占很小比例，这说明自然界中存在着激烈的生存竞争，这种竞争造成大量的生物个体死亡，从而将生物种群维持在一个动态稳定水平上。
经过多年的探索，达尔文逐渐形成了一套系统的进化论思想：生物个体之间本来就存在着个体差异，在生存竞争的压力下，适者生存，不适者淘汰；物种保持的有利的性状在世代传递中逐渐积累，经过性状分异和中间类型消失便形成了新种。1851-1854年达尔文先后发表了4篇论述蔓足类的专著。此后他又广泛地同学界认识交流和探讨，进一步充实和发展了进化论思想。1858年6月18日，他接到博物学家华莱士的一篇论文，其中表述了与达尔文相同见解的进化论思想。 这时，他才在友人的敦促下写出了自己的进化论观点，与华莱士（Alfred Russel Wallace，1823.01.08-1913.11.07）的文章同时发表于7月1日的伦敦林奈学会刊物上。他们的文章当时并没有引起太大的反响。1859年11月24日《物种起源》出版，书中介绍了他20年来收集的关于进化论的丰富证据，充分论证了进化论思想并提出了自然选择学说作为生物进化的机制，此书出版后在社会各界引起了极大的反响。进化论思想使生物界的种种相关现象得到了一个统一的解释：生物的一致性可以用共同祖先来解释；物种的多样性则可以用进化与适应来解释。进化论思想不但在科学界引起反响，连带着使社会各界都感受到了其巨大的思想力量，它猛烈地冲击着神学思想，为上帝敲响了最后的丧钟。
此后，达尔文的著作大都是对进化论学说的进一步阐释和发展。例如，1868年的《动物和植物在家养条件下的变异》论述了人工选择问题；1871年的《人类的由来及其性选择》则把进化论推广到人类。此外，他还发表了一系列著作探讨了植物界中许多适应现象，如1862年的《兰花诱虫授粉的种种策略》，1865年的《攀缘植物的运动和习性》、1875年的《食虫植物》、1877年的《植物界异花授粉和自花授粉的效果》等。其中1881年的《蚯蚓对田园土壤形成的作用》则是土壤生态学的先驱。他还研究了植物的向光和向地运动，根据实验断定在植物体中存在某种传递信息的物质，预见了后来发现的生长素。
1819年，34岁时杜隆与珀蒂（Alexis Thérèse Petit，1791.10.02-1820.06.21）测定了许多单质的比热容之后发现，大部分固态单质的比热容与原子量的乘积几乎相等，这就是著名的“杜隆-珀蒂定律”，也称为“原子比热容定律”。所谓比热容与原子量的乘积就是1mol原子的温度升高1度所需要的热量，称为原子比热容。尽管各种单质的比热容和原子量有很大的差别，但其原子热容几乎相等，都是6卡/(mol·℃)左右。直到19世纪中叶人们才逐渐认识到这是由于1mol原子单质中所含的原子数相等，而物体温度升高所需热量决定于原子的多少，而与原子种类无关。在物理学的研究中，杜隆-珀蒂定律首次揭示了宏观物理比热容与微观粒子数之间的直接联系。
杜隆-珀蒂定律出现在道尔顿原子论问世不久，原子量数据还处于混乱的年代，他们大胆地用这个定律修正了一批原子量。正确的原子量是发现元素周期律的依据，杜隆-珀蒂定律对此起过很重要的历史作用。
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