В 1831 г. Дарвин окончил университет, и в том же году по рекомендации профессора Генслоу он был принят в качестве натуралиста на корабль «Бигль» («Ищейка»), отправлявшийся в кругосветное путешествие (рис. 1).
Дарвин отплыл на борту «Бигля» из Девонпорта 27 декабря 1831 г. Основной задачей экспедиции являлась съёмка восточных и западных берегов Южной Америки и прилегающих островов в целях составления подробных морских карт. Кроме того, перед экспедицией «Бигля» была поставлена и вторая задача, заключавшаяся в проведении серии хронометрических измерений вокруг Земли, с чем и было связано кругосветное путешествие (рис. 2).
За пять лет путешествия мировоззрение Ч. Дарвина резко меняется, и он приходит к выводу, что «старому завету нельзя верить больше, чем священным книгам индусов». Постепенно рушатся и старые представления о неизменности органического мира и под давлением накапливающихся наблюдений формируются новые воззрения.
24 августа 1834 г. «Бигль» прибыл в Байя-Бланку, откуда через неделю отправился к Ла-Плате. С согласия капитана корабля Фиц Роя Дарвин от Байя-Бланки до Буэнос-Айреса проехал сухим путём. Равнина, по которой проходил маршрут, принадлежала к типичной формации пампасов, состоящей из красной глины и частью из мергеля. Эта поездка дала возможность собрать богатейшую коллекцию ископаемых. Особый интерес представляла находка в Пунта-Альте, где на пространстве около 200 кв. м были выкопаны остатки девяти гигантских млекопитающих (мегетерия, макраухении, токсодона и др.). Находка показывала, как разнообразны были обитатели этой страны. В дальнейшем экскурсия по пампасам Патагонии дали возможность ещё больше обогатить палеонтологическую коллекцию Дарвина, изучение которой привело учённого к мысли о существовании близкого сродства между вымершими видами южноамериканских неполнозубых и современными видами ленивцев, муравьедов и броненосцев, обитающими в Южной Америке. Впервые в дневнике натуралиста появляется многозначительная запись: «Я не сомневаюсь в том, что удивительное сродство между вымершими и современными животными одного и того же материка прольёт когда-нибудь больше света на вопрос о появлении и исчезновении организмов на земной, чем какой бы то ни было другой разряд фактов». Впервые возникает сомнение о теории катастроф Кювье, так как геологические исследования Ла-Платы и Патагонии наводят на мысль, что весь ландшафт со всеми его особенностями представляет результат медленных и постепенных перемен, а отнюдь не внезапных, катастрофических.
Эта мысль в процессе дальнейшей работы находит всё больше подтверждений. Во время экскурсии по склонам Кордильер Дарвин обнаружил в центральной части хребта, на высоте свыше 2000 м, около пятидесяти окаменевших стволов деревьев из семейства араукариевых. Они стояли на некотором расстоянии друг от друга, но в целом составляли одну группу. По окаменевшим стволам Дарвин восстанавливает ход происходивших здесь событий. Когда-то группа красивых деревьев простирала свои ветви над берегом Атлантического океана, это было, когда он доходил до подошвы Анд. Эти деревья выросли на вулканической почве, поднявшейся над уровнем моря и потом снова погрузившейся, уже вместе с деревьями, в глубь океана. Там эту, прежде сухую почву покрыли осадочные слои, на которые в свою очередь изливались потоки подводной лавы. Слои расплавленного камня и водных осадков чередовались пять раз. Затем начался новый процесс поднятия хребта, который вынес окаменевшую группу на высоту свыше 2000 м над уровнем океана.
Очевидно, что подобные исследования, проводимые Дарвином в Южной Америке, приводили его к необходимости применения исторического метода в целях изучения природы.
5 сентября 1835 г. «Бигль» отплыл от западных берегов Южной Америки, взяв курс на Галапагосский архипелаг (рис. 3). Этот архипелаг, состоящий из десяти главных островов и ещё нескольких мелких, расположен вблизи экватора. Все острова образованы вулканическими породами. Дарвин очень подробно изучил флору и фауну этих островов и пришёл к выводу, что они крайне своеобразны. Большинство видов растений и животных эндемики этих островов. Все они обнаруживают явное родство с обитателями Южной Америки, несмотря на то, что острова отделены от материка полосой океана шириной около 900 км. Эндемизм распространяется не только на весь архипелаг в целом, но и на отдельные острова, но и на отдельные острова, которые имеют своих, негде больше не встречающихся эндемиков. Так, например, 38 галапогосских видов растений, обитающих на острове Джемс, 30 встречаются только на этом острове. Такая же картина на Албемарле, где из 26 галапогосских растений 22 являются эндемиками этого острова. Некоторые острова имеют свои виды черепах, дроздов-пересмешников и вьюрков.
Объяснение такому интересному явлению, когда между отдельными островами нет обмена фауной и флорой, Дарвин нашёл в характере морских течений. Сильные течения, направленные к западу и северо-западу, отделяют северные острова от южных, препятствуя обмену органическими формами. В то же время между северными островами проходит сильное северо-западное течение, которое разделяет острова Джемс и Албемарл. Так как на этом архипелаге совсем не бывает сильных ветров, то ни птицы, не насекомые, ни лёгкие семена не могут быть переносимы с одного острова на другой.
От галапогосских островов «Бигль» направился к берегам Австралии, которую он обогнул с юга. Наконец 1 апреля 1836 г. на горизонте показались острова Килинг, или Кокосовые, лежащие в Индийском океане на расстоянии 600 миль от Суматры. Эта группа островов привлекает особое внимание Дарвина, так как они все состоят исключительно из кораллов и в прошедшие времена представляли собой подводные рифы. Дарвин изучает жизнь этих островов, в результате чего он позднее создаёт первую теорию происхождения и развития коралловых островов, связавшую воедино все формы рифов как последовательные стадии развития. Исходя из того, что береговой и барьерный рифы – весьма сходные образования, Дарвин пришёл к выводу, что при опускании дна береговой риф приобретает форму барьерного. Образование атоллов (рис. 4) может быть объяснено следующим образом. Если океанический остров, вокруг которого имеется барьерный или береговой риф, испытывает опускание, то он начинает погружаться под воду. Однако созидательная работа кораллов продолжается, в силу чего по периферии острова нарастает коралловое кольцо, внутри которого располагается большая округлая лагуна (рис. 5). В результате атолл представляет изумительное зрелище: с наружной стороны вдоль рифа бушует жестокий прибой и волны омывают кольцо кораллового берега, внутри которого заключено тихое озеро с небольшими островками.
Дарвина поражает тот любопытный факт, что «все произведения здешней почвы» занесены сюда волнами океана. Обрабатывая собранный на Кокосовых островах материал, он приходит к выводу, что огромное количество различных семян со всех концов света разносятся волнами океана. Почти все растения, которые были привезены с Кокосовых островов, представляли собой обычные прибрежные виды островов Малайского архипелага. Однако, судя по направлению ветров и течений, нельзя предположить, что они по падали сюда прямо с Малайского архипелага. Более вероятно, что они вначале были прибиты к берегам Австралии, а оттуда вместе с аборигенами последней с соответствующим течением дошли сюда. Следовательно, семена или плоды растений, населяющих теперь острова Килинг, должны быль проделать путь от 2400 до 3000 км.
Таким образом, разгадка особенностей фауны и флоры океанических островов пришла через изучение современных особенностей жизни кораллов и путей распространения семян и плодов тропических растений. К выводу о том, что органическая природа находится в состоянии постоянных изменений, причём одним из мощных факторов, вызывающих эти изменения, являются сами организмы, приводит Дарвина и наблюдения на острове Св. Елены. Этот остров, лежащий в удалении от материка, посреди Атлантического океана, характеризуется довольно специфической фауной и флорой.
2 октября 1836 г. «Бигль» достиг берегов Англии, и в Фалмуте Дарвин покинул корабль, на котором прожил почти пять лет.
Вернувшись в Англию, Дарвин решил, что, следуя примеру Ляйеля в геологии и собирая факты, имеющие отношение к изменчивости животных и растений как в приручённом, так и в естественном состоянии, можно было бы пролить свет на вопрос о происхождении видов. В июле 1837 г. Дарвин начинает первую записную книжку, в которую заносит свои мысли, имеющие отношение в данной проблеме. С этого момента решение проблемы происхождения видов становится центральной задачей всей его жизни.
Первые годы после возвращения Дарвин работает над дневником путешествия на корабле «Бигль», который публикует 1839 г., и пятитомной монографией «Зоология путешествия».