Si può distinguere tra due classi generali di cambiamento evolutivo: microevoluzione (cambiamento sotto il livello della specie) e macroevoluzione (cambiamento sopra il livello della specie).
Gli ecologi delle popolazioni, i biologi della conservazione e gli ecologi comportamentali sono più direttamente interessati ai processi microevolutivi. Questi includono spostamenti nei valori e nelle frequenze di particolari tratti tra i membri delle popolazioni, spesso dovuti a processi ecologici come il movimento degli organismi e il cambiamento delle condizioni ambientali, nonché le interazioni con membri di specie diverse (ad esempio, interazioni predatore-preda, interazioni ospite-parassita, concorrenza) o della stessa specie (ad esempio, selezione sessuale, concorrenza). Questi processi possono, ma non necessariamente, portare alla formazione di nuove specie nel corso del tempo, ma risultano invece in frequenze fluttuanti di tratti all’interno delle popolazioni che seguono pressioni selettive sempre mutevoli (Thompson 1998). Poiché alcuni processi microevolutivi possono verificarsi nel corso di poche generazioni, essi possono spesso essere osservati in natura o in laboratorio.
Un’illustrazione appropriata della microevoluzione in azione è la ben documentata tendenza degli insetti a sviluppare rapidamente resistenza ai pesticidi (Gassmann et al. 2009). Per esempio, durante l’estate nel sud della Francia, i pesticidi vengono applicati per controllare le zanzare Culex dalla costa mediterranea a circa 20 km nell’entroterra. Alcuni geni della zanzara conferiscono resistenza ai pesticidi ma sono costosi in assenza di pesticidi (Figura 2); le frequenze del gene della resistenza ai pesticidi aumentano durante le estati nelle aree in cui l’irrorazione è comune, ma non aumentano nelle aree in cui l’irrorazione non è praticata. (Lenormand et al. 1999).
Di solito i cambiamenti macroevolutivi non possono essere osservati direttamente a causa delle grandi scale temporali generalmente coinvolte, sebbene molti casi di cambiamento macroevolutivo siano stati osservati in laboratorio (Rice & Hostert 1993). Invece, gli studi sulla macroevoluzione tendono a basarsi su inferenze da prove fossili, ricostruzioni filogenetiche ed estrapolazioni da modelli microevolutivi. Spesso l’obiettivo degli studi di macroevoluzione è la speciazione: il processo attraverso il quale gruppi di organismi che in precedenza si incrociavano diventano incapaci (o non vogliono) accoppiarsi con successo l’uno con l’altro e produrre prole fertile.
Gli ecologi possono essere interessati alla macroevoluzione come un mezzo per fare inferenze riguardanti questioni ecologiche attuali. Gli scienziati interessati a modellare gli effetti dei cambiamenti climatici attuali, per esempio, possono accoppiare i dati climatologici preistorici con i modelli di speciazione ed estinzione derivati dai fossili per capire come se la cavano oggi le specie animali e vegetali contemporanee e come se la caveranno in futuro. Per esempio, molti invertebrati marini (per esempio coralli, lumache, vongole) costruiscono i loro gusci usando carbonato di calcio raccolto dall’acqua dell’oceano. Quando la CO2 antropogenica si accumula nell’atmosfera, una frazione significativa di essa si dissolve nell’oceano, rilasciando ioni idrogeno liberi nel processo e diminuendo così il pH oceanico. Tra le altre cose, questa acidificazione dell’oceano riduce la quantità di carbonato disponibile per gli invertebrati marini che fanno affidamento su di esso per i loro gusci di carbonato di calcio, rendendo difficile per loro fare e mantenere i loro gusci.
Combinando i dati del pH oceanico di centinaia di milioni di anni fa con i dati fossili dei foramiferi (invertebrati marini che fabbricano conchiglie), Zachos et al. (2005) mostrano gli effetti che l’acidificazione degli oceani ha avuto sulla diversificazione e l’estinzione della fauna marina invertebrata del passato. Da questi dati, si possono modellare i modelli attuali di acidificazione degli oceani e cominciare a prevedere i suoi effetti sugli animali marini attuali e futuri (per esempio Orr et al. 2005).