10月2日才返回英國。在這次漫長的旅途中，達爾文對南美洲東海岸的巴西、阿根廷等地，以及西海岸和相鄰的島嶼進行了詳細的考察。隨後，他穿越太平洋到達大洋洲，接著越過印度洋抵達南非，再繞過好望角經大西洋回到巴西，最終返回英國。

在“小獵犬號”上，達爾文不僅收集了大量的動植物標本，還進行了廣泛的地質觀察。他在南美洲發現了一些古老的動物化石，如巨大的犰狳化石，這些化石與現代動物的相似性讓他開始思考物種的演變。在加拉帕戈斯群島，他觀察到不同島嶼上的鳥類和龜類有著顯著的差異，這些差異促使他進一步思考自然選擇的概念。這些觀察和發現為他後來的進化論奠定了基礎。

在船艙中，達爾文還進行了一些簡單的植物實驗。他發現，草的幼苗會向窗戶的方向彎曲生長，這是因為陽光從一側照射過來。達爾文注意到，如果把種子種在黑暗中，胚芽鞘會垂直向上生長；如果讓陽光從一側照射，胚芽鞘則會向陽光的方向彎曲。他進一步實驗發現，如果把胚芽鞘的尖端切掉或用不透明的東西蓋住，即使光還能照射到胚芽鞘，胚芽鞘也不會再向光彎曲。但如果用透明的東西遮蓋胚芽鞘，胚芽鞘仍然會向光彎曲。此外，即使胚芽鞘被不透光的黑色沙土掩埋，只要尖端暴露在外，胚芽鞘仍然會向光彎曲。基於這些實驗，達爾文推測在胚芽鞘的尖端分泌一種訊號物質，這種物質向下輸送到會彎曲的部分，導致胚芽鞘向光彎曲。這一發現後來在1880年出版的《植物的運動力》一書中得到了詳細描述。

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回到英國後，達爾文開始整理和研究他在航行中收集的大量資料。1838年，他偶然讀了托馬斯·馬爾薩斯的《人口論》，從中得到了重要的啟發。馬爾薩斯指出，人口增長的速度總是超過食物供應的增長速度，這導致了生存競爭。達爾文從中領悟到，生存鬥爭在生物生活中具有重要意義，並意識到自然條件是生物進化中的“選擇者”。不同的自然條件會導致不同的選擇結果，從而推動物種的演變。

1842年，達爾文開始撰寫一份關於進化論的大綱，並逐漸將其擴充套件為多篇論文。然而，他對發表這些研究成果非常謹慎，擔心會引起宗教和科學界的強烈反對。1858年，年輕的博物學家阿爾弗雷德·華萊士獨立提出了類似的進化論觀點，並將他的文章寄給了達爾文。在好友的建議下，達爾文決定將華萊士的文章和他的部分論稿一同提交給林奈學會。這一舉動標誌著進化論的正式提出。

1859年11月24日，達爾文的巨著《物種起源》正式出版，立即引起了巨大的轟動。在這本書中，達爾文提出了“自然選擇”理論，認為生物種群在自然環境的壓力下，透過微小的變異和遺傳，逐漸演化出適應環境的新物種。這一理論徹底顛覆了當時流行的神創論和物種不變論，引發了科學界和社會的廣泛討論。《物種起源》初版1250冊在當天即告售罄，隨後多次再版，成為科學史上的一部經典著作。

儘管《物種起源》的成功為達爾文贏得了廣泛的聲譽，但他本人卻儘量避免捲入對進化論的爭議。當宗教狂熱者攻擊進化論與《聖經》的創世說相違背時，達爾文繼續專注於科學研究，撰寫了《家養動物和栽培植物的變異》（1868年）、《人類的由來及性選擇》（1871年）和《人類和動物情感的表達》（1872年）等重要著作。這些書籍進一步豐富和完善了他的進化論體系，為現代生物學、遺傳學、生態學等學科的發展奠定了基礎。

1882年4月19日，達爾文在達溫宅逝世，享年73歲。他的葬禮在威斯敏斯特大教堂舉行，葬於牛頓的墓旁，以表彰他對科學的巨大貢獻。

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