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El genoma de todos los organismos contiene evidencia contundente de la evolución. Todas las especies vivientes comparten el mismo mecanismo básico de la herencia, utilizando el ADN para codificar genes que son pasados de progenitores a descendientes, y los cuales son transcritos y traducidos a proteínas durante la vida del organismo.
La evolución molecular es el estudio de las variaciones en la secuencia del ADN a lo largo del tiempo, ya sean en la variación de la frecuencia de nucleótidos en una población o en la variación de locus entre linajes aislados reproductivamente. Hace referencia a los cambios en la secuencia de nucleótidos del ADN que han ocurrido durante la historia de las especies diferenciándolas de sus ancestros.
Como disciplina, el campo de la evolución molecular se encarga de la evolución de genes y proteínas, preguntándose por la tasa de mutación (véase reloj molecular) y los mecanismos que rigen la evolución molecular. Este campo se entrelaza con la genética de poblaciones clásica y con la genómica comparativa; y tuvo grandes avances gracias a la viabilidad experimental de Caenorhabditis elegans y a la pronta publicación de la secuencia de su genoma, que contribuyó enormemente al entendimiento general de los procesos de evolución experimental. Una de las teorías más destacadas en este campo es la teoría neutralista de la evolución molecular; por la que muchos estudios de evolución molecular se centraron en el rol de la selección frente a la deriva genética, en relación a la fijación de sustituciones de aminoácidos; no obstante, en la actualidad se sabe que ambos factores contribuyen en este proceso.
Uno de los descubrimientos más inesperados en biología molecular fue que las moléculas evolucionan igual que las estructuras somáticas, es decir, los cuerpos.
Por poner un ejemplo, si los chimpancés y los humanos tienen un ancestro común más reciente que el de los chimpancés y los canguros, entonces la hemoglobina de los chimpancés se va a parecer más a la de los humanos que a la de los canguros. Lo interesante es que al analizar diferentes proteínas, se llega a la misma conclusión.