생물학과 진화는 아주 밀접한 관계가 있다. 생물학은 물질의 변하지 않는 성질을 수식으로 나타낼 수 있는 물리학이나 화학과는 근본적으로 다른 과학이다. 물론 생체계도 물리 및 화학의 법칙을 따르지만, 생물학은 역사학이다. 왜냐하면 현존하는 생명체의 구조와 형태는 수십억 년에 걸친 진화의 결과이기 때문이다. 모든 생명체는 아주 먼 과거에 살던 원시 단세포 생물로부터 현세의 다양한 동식물 및 미생물로 진화하였다. 찰스 다윈의 위대한 업적인 자연선택은 그의 뛰어난 통찰력의 결과이다. 즉 생명체는 주어진 환경 속에서 자원을 중심으로 경쟁하면서 무작위로 변한다. 생존에 살아남아서 자손을 낳은 것만이 유전 형질을 다음 세대로 전할 수 있다.
생물계는 미세한 양치류에서부터 커다란 나무처럼, 현미경을 사용해야만 볼 수 있는 세균 및 원생생물처럼 단세포 생물부터 다양한 다세포 동물에 이르기까지 다양하다. 그렇지만 생명체를 구성하는 물질은 동일하다. 즉 모든 생명체를 구성하는 화학 분자는 같으며 세포를 구성하는 원리도 비슷하다. 수십억 년의 진화를 거치면서도 생명체의 기본적인 구성 분자는 변하지 않았지만, 이들 구성 분자로 형성되어 세포 및 개체의 기능을 담당하는 물질은 많은 변화를 겪어왔다.
DNA로 구성된 유전자는 궁극적으로는 생물학적 구조를 결정하고 세포 기능을 총관한다. 유전자는 세포 구조의 기본 물질이며 세포 기능을 수행하는 단백질로 번역된다. 유전자 구조 및 배열 변이, 혹은 돌연변이는 생물학적 구조 및 기능 변화를 무작위로 일으킨다. 무작위로 발생하는 돌연변이의 대부분은 유전자 혹은 단백 기능에 영향을 미치지 않지만, 어떤 것은 매우 해로운 결과를, 극소수의 돌연변이는 진화에 유리한 결과를 초래한다. 생명체의 DNA에는 돌연변이가 지속해서 발생하는데, 이런 가정은 오랜 시간을 두고 보면 세포의 구조 및 기능에 유리한 작은 변화를 유도한다. 완전히 새로운 구조는 결코 만들어지지 않는다. 그보다는 새로운 환경에 적응할 수 있는 구조로 변한다. 기존에 변한 물질들을 재배열하거나 수를 증가시켜 급격한 변화를 초래하는 경우는 있지만 전혀 새로운 방식으로 급격한 변화를 초래하는 경우는 없다. 예를 들어, 어떤 개체에서 어떤 유전자가 중복되어 2개가 되었다. 이 중 1개는 원래의 기능을 유지한 단백질을 만들고, 다른 1개는 돌연변이가 발생하여 시간이 지나면서 원래의 단백질과는 기능이 약간 다른 혹은 완전히 기능이 다른 단백질을 만든다. 이 과정에서 핵심적인 역할을 하는 것은 개체의 세포 구성으로 세포 내에 발생한 소소한 변형을 새로운 기능이 추가된 세포로 진화시킨다. 그 결과 유연관계가 높은 개체는 유전자, 단백질 및 세포 구성도 유사하다.
인체를 비롯한 생체계는 서로 긴밀하게 상호작용하는 요인들로 구성되었다. 개체는 기관으로, 기관은 조직으로, 조직은 세포로 구성되었다. 인체를 비롯한 생체계의 조화된 반응은 여러 단계의 상호작용에 의해 조절되어 나타난다. 즉 화학물질은 기관에서 기관으로, 세포에서 세포로 신호를 전달하며 세포가 분비하는 화학물질에 의해 조직은 다른 조직과 구분되고 통합도 된다. 생체계를 작은 단위로 나누어도 각각은 상호 작용한다.
생체계를 알기 위해서는 인체를 비롯한 생체계의 작은 부분부터 알아야 한다. 기관은 상호 작용하는 세포들로 구성되었으므로 세포생물학을 먼저 고찰하는 것이 타당하다. 지구상의 모든 생명체의 최후 공통 조상은 세포이다. 모든 생명체는 세포 수준에서 놀랄 만큼 비슷하다. 모든 세포는 동일한 구성 물질로 구성되었으며 유사한 방식으로 유전정보를 저장하고 유지하고 발현한다. 또한 구조, 에너지 대사, 물질 수송, 신호 전달, 발생 과정 등도 유사하다.
이와 관련된 중심 내용 중의 하나는 DNA이다. 수백 종의 개체의 유전체 서열이 밝혀졌으며, 이는 유전자와 개체의 진화에 중요한 정보를 제공한다. 예를 들어, 최근 연구에 의하면 인간과 침팬지의 유전체 염기 서열은 99% 동일하며 이 둘은 450만 년 전에서 600만 년 사이에 원숭이와 유사한 조상으로부터 분기하였다. 이런 결론은 화석 결과와 일치한다. 생물학자는 진화를 연구 수단으로 이용한다. 만약 유전자와 이 유전자의 산물인 단백질이 후생동물에서는 보존되는데 단세포 개체에는 존재하지 않는다면, 이 단백질은 모든 후생동물에서 중요한 작용을 할 것이고 연구하기에 적합한 후생동물에서 연구가 진행될 것이다.
요약하자면, 생물학과 진화는 밀접한 관계가 있으며, 생물학은 물리학이나 화학과 달리 생명체의 변화를 역사적으로 탐구하는 학문이다. 현존하는 모든 생명체는 원시 단세포 생물에서 오랜 진화를 거쳐 다양하게 분화되었으며, 자연선택을 통해 환경에 적응한 개체만이 유전 형질을 후대로 전달한다. 생명체는 동일한 화학 분자로 구성되며, DNA는 유전 정보를 저장하고 단백질로 번역되어 생물학적 구조와 기능을 결정한다. 돌연변이는 무작위로 발생하며, 대부분은 영향을 미치지 않지만 일부는 생물의 생존과 진화에 유리한 변화를 일으킨다. 생체계는 세포-조직-기관-개체로 구성되며, 세포는 모든 생명체의 기본 단위로 유사한 구조와 기능을 가진다. 인간과 침팬지의 유전체는 99% 동일하며, 약 450만~600만 년 전 공통 조상에서 분기되었다. 생물학자는 진화를 연구 수단으로 활용하여 생명체의 유전자와 기능을 탐구하며, 생명 현상을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.