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身份为傲，认为船上没有一个人属于他的社会阶层。首先，他需要一位具有相同背景、教养的绅士与他为伴，从而不至于在三年甚至更长的时间里独自一人进餐。菲茨罗伊期望达尔文和他一起在船长室吃饭，陪他在孤独寂寞时聊天，同时收集一些博物学标本为整个环球航行再添荣光。对于这些任务，达尔文信心百倍。碰巧，短短几个月后，由于达尔文拥有比他更多的闲暇和资料来搜集研究物种，麦考密克大为恼火，愤然离开了贝格尔号。这样，达尔文成为贝格尔号唯一的博物学家，获得了军官们和船员们许多善意的帮助。
傲气十足、喜怒无常的贝格尔号船长罗伯特·菲茨罗伊，是他在将近五年的时间里陪伴达尔文环球航行。
离开英国前，达尔文匆忙地购置衣物。衬衣和袜子占据的空间不大，但对于科研设备来说，情况就大不相同了：解剖工具、化学用品、储存动植物标本的专用盒子和夹子；显微镜、望远镜、指南针和气压计等小心轻放的精密设备；还有采集地质标本的地质锤和从海中捞取标本的网套。除了用于射杀鸟类和兽类的来福枪以外，达尔文还听从菲茨罗伊的建议，购买了两支手枪用于对付南美的暴徒，南太平洋的食人生番，这一切都使他感到意气风发。达尔文还随船携带了大量书籍。查尔斯·赖尔（CharlesLyell）的最新力作《地质学原理》的第一卷也是其中之一，这是亨斯洛赠送的临别礼物。赖尔是现代地质学的创始人，他的著述支持均变论的观点，认为地球历史可以回溯到遥远的过去。在旅途中，达尔文如饥似渴地阅读《地质学原理》，赖尔深刻的洞察力帮助他明晰了各种各样从未见过的地质结构。
达尔文费尽心机，成功地将自己所有的东西装载到贝格尔号上。与家人和朋友们告别时，达尔文许诺定期给姐妹们写信——信守这个诺言他可得不断努力。贝格尔号多次尝试出海，因天气恶劣，两次以失败告终。在他狭小的蜗居里，达尔文烦躁不安，越来越难以忍受。糟糕的天气令人沮丧，达尔文感到孤独寂寞，思乡日甚。航海生活的困难远远超出了他的想象。吊床仿佛总要把他抛到海图桌上，达尔文费了好大劲才学会控制它。更糟糕的是，达尔文沮丧地发现，自己非常容易晕船，对于上下翻滚的胃他毫无办法。
十二月二十七日，贝格尔号终于扬帆出海。达尔文病弱不堪，一连数日躺在吊床上，一动不动，什么事情也做不了，只能在阵阵发作的恶心呕吐的间歇期间，勉强吃一点饼干和葡萄干。达尔文一生从未如此难受过。这次伟大探险的开端真是毫无魁力可言。
情况很快有所好转。虽然达尔文从来没有克服晕船带来的不适，但两周后他感觉好了许多，开始对周围的环境发生兴趣。他发现伴随着熟悉的日常工作，海上生活安闲舒适，也有相当大的魁力。在给父亲的信中，达尔文写道：“我发现，一艘船就是一个舒适的家，你想要什么就有什么。如果不晕船，简直整个世界都是水手的。”
贝格尔号依照计划进行环球航行、却并不总是径直向前行驶。在三年多的时间里，他们考察了名不见经传的阿根廷和智利海岸，夏天在靠近火地岛的南半球工作；冬天引退到北半球的温暖水域。达尔文多次游览包括火地岛和福兰克群岛的许多地方。由于贝格尔号经常在某些港口停靠，当军舰沿着海岸来回游弋时，达尔文常常能够在陆上逗留几周，甚至几个月的时间。登岸后，达尔文进行了规模庞大的陆上旅行。当贝格尔号在南美洲东部沿岸停靠时，达尔文骑马横穿阿根廷辽阔无边的大草原，行程600英里（约合960公里）。后来军舰在南美洲西海岸考察时，达尔文还独自一人横跨安第斯山脉并且安全返回。
对于达尔文来说，这次环球航行的新发现的确数不胜数。所有的一切都令他兴致勃勃；所看到的一切开阔了他对自然界的视野。1832年2月，贝格尔号抵达巴西，继续向南航行前，在此处逗留了四个月。与地球上其它任何地方相比，热带雨林拥有多得多的动植物品种。进人巴西热带雨林探险时，达尔文欣喜若狂。他在日记中写道：“高兴只是一个虚弱、没有活力的字眼，不足以表达一名博物学家独自一人踏进巴西热带雨林时的强烈感受。”痴迷地凝视着周围的一切，达尔文感到自己好像一个盲人突然获得了光明。
贝格尔号航海图
热带雨林丰富多彩的生命令人头晕目眩：短短一天内达尔文捕捉了68种甲虫。还有一次，在早上散步时间里，他射死了80多只品种不同的鸟儿。在林间路上，他亲眼目睹一大队浩浩荡荡的蚂蚁，所过之处，风卷残云，一无所剩，令人胆寒。他测量参天巨树粗大的树干，尽情体验观察雨蛙能否爬上玻璃板的快乐。达尔文的注意力不时从鹦鹉转移到棕榈，从甲虫转移到兰花。在给亨斯洛的信中，他描述了自己的一种新激情，“我目前疯狂地痴迷蜘蛛”。在给姐姐卡洛琳的信中，他兴奋地叙述了自己在观察新物种时“难以言传的悭吝鬼般的狂喜”。达尔文收集的大部分物种，对于科学来说都是未知的，全部被整理得井井有条，船运给亨斯洛。
达尔文的探险生活也并不总是一帆风顺，妙趣横生。首先令他痛苦不堪的是巴西的一种热带高烧。他还目击了令人恐怖的奴隶贸易。葡萄牙殖民者将大批非洲奴隶运往巴西。达尔文在此参观时，发现几乎所有的种植园工人和家庭仆人都是黑奴。达尔文家族和韦奇伍德家族都对蓄奴制深恶痛绝。在此问题上，达尔文也与亲友们持有相同的观点。在看到黑奴小男孩惨遭马鞭暴打，或者听到奴隶主威胁要将奴隶所有的妻儿卖掉时，达尔文深感不安。离开巴西后，他写道：“谢天谢地，我再也不会拜访这个蓄奴制国家了。”
蓄奴制问题在达尔文和菲茨罗伊之间引起了激烈的争辩。船长认为，奴隶制和《圣经》一样古老，奴隶应当在大种植园工作。他声称自己曾经参观过一个种植园，那儿的奴隶生活幸福。种植园主曾经当着菲茨罗伊的面，将所有的奴隶召集在一起，问他们愿不愿意获得自由。据菲茨罗伊说，当时所有的人都异口同声地回答——“不”。达尔文嘲讽地反问，是否菲茨罗伊认为奴隶们敢于在主人面前无所不言。后者勃然大怒，喝令达尔文离开船舱。几小时后，怒气平息的菲茨罗伊向达尔文道歉。这件小事使达尔文尝到了船长暴躁脾气的滋味。尽管菲茨罗伊是一名出类拔革的领导者，由于不知何时他会勃然大怒，火爆脾气突然发作，助手们都学会了在他周围小心翼翼地走路做事。后来在航行中，有一次，菲茨罗伊沮丧消沉、难以自拔，几乎放弃了他的指挥权。
贝格尔号下一个阶段的使命是驶往阿根廷。狂风呼啸的平原和荒凉泥泞的海岸显然无法与多姿多彩的巴西雨林相比，但它们对达尔文也有无穷的魁力。在一个名叫彭塔阿尔塔的地方，他发现一些古老的骨头埋藏在一片沙砾和淤泥之中，便开始用鹤嘴锄挖掘起来。成果喜人，出土了一大批科学上未知的久已绝迹的古生物化石：犰狳、巨树獭。一只样子像河马的箭齿兽、一头早已灭绝的南美象和其它一些动物。达尔文把阿根廷的这些平原叫做“灭绝已久的四足动物的巨大坟墓”。他意识到，这些发现将有助于科学家拼画出地球遥远过去的图景，当时美洲“到处都是巨大的怪兽”。达尔文坚信，貘、树獭、犰狳以及南美野生羊驼这些生活在南美洲的现代动物，都源于同一种古代巨兽。达尔文开始苦思冥想这些物种之间的关系。他认识到，“生活在同一大陆，已经绝迹的生物和仍在存活的生物之间的绝妙关系”，对于理解物种如何出现，如何消亡将带来新的希望之光。
达尔文发表的重新组合的陆上巨树獭骨骼草图，它是达尔文从阿根廷平原发掘的众多灭绝动物之一。
暴雨、狂风、湿淋淋的树丛、荒凉冷漠的海岸布满岩石和冰砾，这一切使环绕火地岛的道路寸步难行。达尔文写道，“看一眼这些海岸，就足以使一名从未航过海的人，整整一周沉浸在对海难、危险以及死亡的惊恐之中。”巡回在贝格尔海峡（这条水上通道是以前一次航海的同名船只命名的），贝格尔号多次考察这片危机四伏的水域。在这儿，达尔文的果敢使一次海滩聚会免于流产。他毫不畏惧，勇敢地冲进惊涛骇浪，阻止了将要冲进海里的船只。菲茨罗伊感激不尽，为纪念达尔文的英勇行为，将一座大约7000英尺的山峰命名为达尔文峰。
前一次拜访火地岛时，菲茨罗伊带走了三位土著居民，分别叫做约克·明斯特尔（YorkMinister，英格兰的一座大教堂），杰米·巴顿（JemmyButton，菲茨罗伊用一个大钮扣从妈妈那儿买到他）和菲吉阿·巴斯凯特（FuegiaBasket，因为她总是喜欢挎着一个篮子）。菲茨罗伊把这些火地岛人带回伦敦。他们在这里学习文明生活的各个方面，比如说基督教、农业、衣着打扮以及如何使用汤匙和刀叉。这次贝格尔号将他们送返火地岛，随行的还有一名英国国教传教会的年轻牧师，前来火地岛传播现代文明，这里是地球上文化最为落后的地区之一。然而船长的试验惨遭失败，三位“文明”的火地岛人很快返回了他们原来的生活方式，年轻的牧师也要求重新返回贝格尔号。菲茨罗伊表示，乐意将杰米带回，但是他只想呆在属于自己的国家。贝格尔号最终驶离火地岛时，达尔文看到了杰米燃火示意的浓烟——“在军舰驶往广阔无边的大海时，这是一个漫长的永别”。
船长菲茨罗伊绘制的贝格尔号火地岛乘客：非吉阿·巴斯凯特（上部左方）、杰米·巴顿（中部左右）和约克·明斯特尔（底部左右）。达尔文目睹了菲茨罗伊企图将“西方文明”强加给这些火地岛人的失败。
与同时代大部分欧洲人一样，达尔文坚信，西方的生活方式是最先进的。火地岛的插曲使他顿然醒悟，断定应当在一夜之间将“野蛮人文明化”的想法是错误的。他归纳道，应当由火地岛人、澳大利亚土著居民以及其它地方的土人决定他们自己的命运。同时，他正确地预见到，酉方殖民化进程和现代经济的发展将会威胁到他们的生存。
1834年6月，贝格尔号抵达南美洲西海岸，在这里呆了一年多的时间。由于邮递到的赖尔《地质学原理》第二卷的影响，这段航程达尔文的主要兴趣集中在地质学。达尔文手握地质锤，研究安第斯山脉的岩层结构。安第斯山脉是地球上最年轻最险峻的山脉之一，海拔12000英尺处的化石森林和大量的贝类化石令人叹为观止。达尔文还目睹了几次火山爆发并在一次地震中幸免遇难。这些突发事件给达尔文留下了深刻的印象，证明地表总是处于不断地变化和移动之中。达尔文由此得出结论，生命所处的地理环境是流动的、不断变化的。达尔文的地质观测，与他对已经发现化石物种（虽不同于存活的生命，但仍有相似之处）的思考一起，帮助他洞见到，生命为了适应周围环境的变化，本身也是流动的、不断变化的。