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达尔文精心研究的对象是藤壶和海居甲壳类动物，它们坚硬的外壳在岩石丛、桩状物、其它海底表面，甚至船壳上堆积，厚厚的坚硬表面使在水中航行的轮船不得不放慢速度。从贝格尔号航行中，达尔文带回几种非常有趣的藤壶动物，急切地想要解剖和描述它们。与达尔文的许多事情一样，这项工作规模巨大，远远超出他最初的预想。由于热切希望研究全面细致，达尔文通过邮寄与别的博物学家交换标本，解剖，画草图，描绘许多他做梦都没想到会存在的藤壶物种，最终在藤壶动物上整整花费了八年的光阴！达尔文的孩子是在堆满藤壶动物的家中长大的；有人曾无意听到达尔文的一个孩子这样问他的玩伴：“你爸爸在哪儿研究他的藤壶？”
后来，约瑟夫·胡克告诉弗兰西斯·达尔文，他父亲在开始做这项研究之前，很早就开始留意藤壶动物。十九世纪四十年代后期，达尔文在信件和笔记中提到他的研究项目时，也时常称那些藤壶动物“我可爱的藤壶们”。然而，年复一年，这些小小的甲壳类动物对达尔文失去了原有的魅力，他开始叫它们“这些老不死的藤壶”。1852年，他和表弟威廉·达尔文·福克斯开玩笑说：“我恨死藤壶了！我对它们的厌倦没有人比得上，即使是水手对缓慢行驶船只的厌恶，也不及它的万分之一。”1855年，达尔文终于完成了这个庞大的研究项目。出版了四本厚厚的关于存活藤壶和化石藤壶物种的著作之后，达尔文立刻被奉为这个领域的世界级权威人士。直到今天，他关于藤壶动物的书籍，依然被奉为这个领域最重要的著作。
在八年的藤壶研究中，达尔文绘制的大量解剖图中的一部分。一些历史学家认为，关于藤壶的研究课题是达尔文推迟发表进化论会招致混乱迷惘的一种方式。
对于达尔文和他的家庭来说，研究藤壶的八年也是极不寻常的八年，发生了许多重要的事件。有些事情令人愉快：比如，与托马斯·赫胥黎新建立的友情；1853年，因对自然历史的贡献获得了皇家学会授予的奖章。但是，这几年中也发生了一些悲痛的事情：1848年，父亲去世；几年后，女儿安妮也随之而去。由于父亲罗伯特医生的疾病及逝世，达尔文极度悲痛，健康状况极度恶化。1848至1849年，达尔文卧床不起长达数月。还未来得及从失去父亲的伤痛中恢复过来，他最疼爱的女儿安妮又因胃病病倒，长期呕吐不止。达尔文带她去了一个健康中心，找到最好的医生为她治疗，但是这一切都毫不奏效。安妮一天天衰弱下去。守候在她的床边，达尔文悲伤欲绝、泪如泉涌，写信给在家中照料年幼孩子的爱玛说：“我多么希望你现在能够见到她，这是个完美的小天使，你不知道现在她有多温柔、多耐心，那么满怀感激——感谢上帝将她赐予我们，但现在听到她的声音真是令人难受——可怜的小家伙。”经过了长时期的折磨，安妮日渐衰弱下去。1851年春天，她终于也离开了人世。安妮的去世是达尔文“痛苦而残忍的损失”。由于极度悲痛，达尔文又病倒了。安妮去世几周后，达尔文写道：“唉！她如果知道，我们怀着多么深切的柔情永远爱她，永远爱她那可爱快乐的小脸蛋，该有多好！”
虽然重病缠身，家庭的不幸，以及对那些“可爱的藤壶动物”的研究，分散了他的精力，达尔文依然没有终止整理进化论材料的工作，继续搜集事实证据，对其进行归类。对藤壶动物的研究刚刚结束，朋友赖尔和胡克就催促达尔文发表关于物种进化的著作，他自己也认为时机已经成熟。1856年，面前摊放着1844年的草稿，身边堆满了一撂撂笔记，达尔文着手写作关于物种通过自然选择“有改进地遗传”的理论著作。他知道这将是自己对科学最重要的贡献，希望多用几年时间写好这本专著。
在此之前，达尔文的同事们已经知道他在研究物种及其变异的课题，但是关于学说的具体内容只有几个人知道：胡克、赖尔、达尔文的哥哥拉斯，另外还有美国植物学家阿萨·格雷。然而即使在那时，有关这方面的研究也并不是完全空白。《造物遗痕》一书已激起了公众对进化观点的激烈争论，同时正在吸引着越来越多的支持者。1852年，英国的哲学家赫伯特·斯宾塞（HerbertSpencer，1820－1903）在某杂志发表文章，认为物种是由进化而来，但他没有试图具体描述它们究竟是怎样进化的。
阿尔弗雷德·罗素·华莱士是达尔文博物学领域的一名同事。正当达尔文准备发表自己的思想时，华莱士独立提出了自然选择理论，使达尔文陷入了事业上的进退两难之中。
与此同时，在地球的另一端，还有一位博物学家也正在进行对物种形成的研究。他就是阿尔弗雷德·罗素·华莱士（A．R．Wallace，1823－1913）。《造物遗痕》一书激起了他对物种进化的兴趣。在亚马逊热带雨林的探险中（1848－1852），他开始搜寻、检验新物种进化的证据。1854年，华莱士开始对印度尼西亚和马来西亚的探险，时间长达八年。在那儿，他继续思考物种进化的问题。第二年，华莱士发表了题为《论限制新物种形成的法则》的文章。在这篇文章里，他论证说每一个新物种都是在一个“事先存在的，相互间联系紧密的”另一物种的前提下形成的。虽然他的文章里没有任何进化以什么方法发生的暗示，但是显而易见，华莱士已经研究物种进化问题。正是这篇文章的出现，促使达尔文最终决定开始写作关于物种进化的著作。他给华莱士写信，为他发表的这篇文章表示祝贺，并补充说他研究这个问题已有多年，正在就这个问题写一本书。
1858年6月之前，达尔文的这部书已经完成了几百页，计划书名为《自然选择》。正如他对赖尔所言，这本“关于物种写不完的书”，依然有大量的内容等待达尔文去完成。但就在这个月，华莱士从德那第岛（现在称做印度尼西亚的摩鹿加群岛的一个岛屿）寄来一个包裹，里面是一篇文章的草稿。之所以将这篇文章寄给达尔文，是因为华莱士敬重达尔文，希望得到他对自己新论点的评价。他还请求达尔文将文章转交给赖尔。达尔文收到包裹，读完文章，立即呆住了，华莱士的文章简要概括了达尔文艰辛研究近20年的大部分自然选择理论。
达尔文发现自己处于可怕的进退两难的境地。公正是达尔文的人生准则，华莱士信任自己，他不想剥夺其创立自然选择学说的荣誉。但是同时，正如一些朋友们所了解的那样，早在几年以前，他的自然选择学说就已经形成了。达尔文渴望自己的工作获得应有的荣誉，这也是可以理解的。达尔文不禁谴责自己拖延时间太久，没有早早将自己的学说公之于众；也许现在他这么多年的努力都将白费了。
赖尔不仅熟知达尔文的研究，而且还是当时最受尊敬的科学家之一，所以达尔文向他询问自己应该怎么办。更重要的是，达尔文不想让华莱士认为自己心胸狭窄，贪婪名誉。“我宁愿把整本书都烧掉，也不愿让他或任何人认为我做事委琐卑劣。”赖尔和胡克想出了一个办法，征得达尔文同意后，决定在林奈学会（伦敦博物学协会）七月份举行的会议上，公布达尔文——华莱士学说。这个学说由学会秘书宣读，包括达尔文1844年手稿关于自然选择的部分，1857年他写给阿萨·格雷的信探讨这个问题的部分，以及华莱士寄自德那第岛的论文。自然选择学说终于昭之于世。达尔文与华莱士被正式确认为这个学说的共同创始人，虽然时间的进程清楚地表明是达尔文最先发现了这一学说。
达尔文与华莱士共同分享发现自然选择学说这一荣誉的事实，经常被人们誉为科学家之间无私合作与美好愿望的崇高典范。实际上，华莱士根本没有机会来决定是否同意这样的安排。甚至也没有人询问过他的意见，因为信件到达德那第岛与回信答复总共需要好几个月的时间。会议结束三周以后，华莱士本人才知道他们的学说在林亲学会上一起宣读的消息。华莱士表示，他对事情如此处理感到非常满意，这使达尔文感到莫大的欣慰。直到达尔文生命的最后一刻，两人都保持了良好的朋友和同事关系，尽管在某些重要科学问题上并不总是意见一致。华莱士通过观察大自然成千上万与各自生物龛完全吻合的物种，认识到存在是为了生存而斗争的结果（达尔文的这种认识是吸收了马尔萨斯《人口论》的观点），从而归纳出自然选择的结论。华莱士确信，他和达尔文都是独立得出自然选择的论点——达尔文根本不可能抄袭华莱士的观点——并且欣然接受达尔文最先发现了自然选择学说这个事实。在两人的私人信件和发表的著作中，各自表达了自己对对方的喜爱与尊敬。华莱士一点也不介意是达尔文的名字，而不是他的名字，与他们共同的革命的见解紧密联系在一起。
祸事接连不断，加上难以抚平的忧伤，达尔文没有出席宣读学说的林奈学会会议。最小的孩子查尔斯刚刚死于猩红热，女儿埃塔也病倒了。尽管如此，他意识到现在应当发表一些关于自然选择的论述。达尔文放弃了一直在埋头写作的大部头作品，匆忙准备更加简洁的文本。1859年11月，《论物种起源：通过自然选择的方式》一书终于出版，引起了人们对这一课题极大的兴趣。出版当天，第一版1250册被书商们抢购一空。
1839年，通过自然选择的进化论历经二十年的深思熟虑之后，达尔文发表了关于这一课题的首部著作。果不出其所料，《物种起源》迅速引起激烈的争议。
四百多页的《物种起源》比达尔文计划要写的篇幅短得多，但仍然不失为一本内容充实的巨著。在这本书中，达尔文探讨了丰富多彩、多种多样的课题，例如：冰山、鱼化石、鸽子驯养、俄罗斯蟑螂、以及将猫、鼠、蜜蜂和红花草联系起来的微妙生物链。经过二十年在地质学、解剖学、植物学和动物学领域的阅读、观察，资料收集以及实验，达尔文从中得出了两个主要观点。其一是物种不断进化、不断改进以适应周围的环境（达尔文仍然使用“有改进地遗传”这术语。直到1872年《物种起源》第六版才使用“进化”这个词）。其二是自然选择宠幸那些具有生存和再生能力的生物体，是新物种缓慢形成的首要机制：
或许我们可以这样说，自然选择时时刻刻都在检验着地球上的每一个物种，不放过任何一个最微小的变异；摈弃弱点，保留、添加所有的优点；它无声无息，悄悄地发挥着作用，不管何时何地，只要时机适合，就会提升每一个生命体与其生活环境的关系。通常我们看不到这些缓慢变化的进程，直到时间之手记录下世纪长河缓缓的流逝；我们并不完美的目光穿过这久已逝去的漫长地质年代，只会看到现在生命的形式与它们以前的形式通然不同。
达尔文很贴切地把《物种起源》称做反对神创世奇迹的“一个长长的辩论”。在最后一章，以揭示自然及其法则带给他的奇妙感作为结尾，达尔文总结了这个观点。他并不需