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[[Ficheiro:Voyage of the Beagle-en.svg|410px|miniaturadaimagem|direita|O percurso do navio HMS Beagle, 1831 - 1836. A expedição partiu do Reino Unido e circundou o globo, atravessando a costa da América do Sul, o Oceano Pacífico, Austrália e Oceania, África do Sul, retornando para o Brasil e por fim voltando para a Inglaterra.]]
 
Após deixar Sedgwick em Gales, Darwin passou uma semana com colegas em [[Barmouth]], retornando para casa em 29 de agosto e achando uma carta de Henslow propondo uma viagem a bordo do [[HMS Beagle]]; o capitão seria [[Robert FitzRoy]] e Henslow deixou claro que apesar da oportunidade irrecusável para um jovem naturalista, Darwin estaria primeiramente na posição de cavalheiro e não apenas como "mero colecionador". O navio partiria em quatro semanas começando pela costa da [[América do Sul]].<ref>{{cite web|url=http://www.darwinproject.ac.uk/darwinletters/calendar/entry-105.html|title=Darwin Correspondence Project&nbsp;– Letter 105&nbsp;– Henslow, J. S. to Darwin, C. R., 24 Aug 1831|accessdate=29 de dezembro de 2008|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20090116035549/http://www.darwinproject.ac.uk/darwinletters/calendar/entry-105.html|archivedate=16 de janeiro de 2009|df=dmy-all}}</ref> A viagem sofreu objeção de Robert Darwin pois seria "uma perda de tempo", mas o primo de jovem cientista, [[Josiah Wedgwood II]], foi persuadido a financiar os custos.<ref>{{Harvnb|Desmond|Moore|1991|pp= 94–97}}</ref> Darwin fez questão de deixar a expedição em segredo a fim de manter controle dos materiais coletados, já que desta maneira este poderia ser melhor preservado e expandido para futuras investigações científicas.<ref name="Browne">{{Harvnb|Browne|1995|pp=204–210}}</ref>
 
Após atrasos, a viagem começou pouco depois do natal de dezembro de 1831, durando quase cinco anos. Como o capitão FitzRoy planejou, Darwin conseguiu passar a maior parte do tempo em terra para investigar materiais geológicos e acumular coleções de artefatos naturais, enquanto o HMS Beagle era [[hidrografia|reparado e abastecia]].<ref name=JvW /><ref name=kix>{{harvnb|Keynes|2000|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1840&pageseq=12 ix–xi]}}</ref> Nessa época ele começou a esboçar suas primeiras observações e quando podia mandava espécimes encontradas para Cambrige, anexando cartas sobre sua situação e outros achados tanto para esta universidade quanto para sua família.<ref>{{Harvnb|van Wyhe|2008b|pp=18–21}}</ref> Mesmo com algum conhecimento em geologia, coleções de besouros e dissecar invertebrados marinhos, Darwin foi levado cada vez mais pelo entusiasmo semi-profissional.<ref name=fnGal>{{cite web|url=http://darwin-online.org.uk/EditorialIntroductions/Chancellor_Keynes_Galapagos.html|title=Darwin's field notes on the Galapagos: 'A little world within itself'|author=Gordon Chancellor|author2=[[Randal Keynes]]|date=Outubro de 2006|publisher=[[Darwin Online]]|accessdate=16 de setembro de 2009|deadurl=no|archiveurl=https://www.webcitation.org/617qybOGZ?url=http://darwin-online.org.uk/EditorialIntroductions/Chancellor_Keynes_Galapagos.html|archivedate=22 de agosto de 2011|df=dmy-all}}</ref> Até quando sofreu com doenças tropicais ele não deixou de anotar cópias em seus diários enquanto estava a bordo do navio. A maioria de suas anotações eram sobre invertebrados marinhos, como os [[plâncton]]s.<ref name=kix /><ref name=plankton>{{Harvnb|Keynes|2001|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?itemID=F1925&viewtype=text&pageseq=53 21–22]}}</ref>
 
A primeira parada foi em [[Santiago (Cabo Verde)|Santiago]], [[Cabo Verde]], onde Darwin um achou amontoado de [[rocha vulcânica|rochas vulcânicas]] com várias conchas. O capitão FitzRoy deu para ele o livro de Charles Lyell, ''Principles of Geology'', o qual defendia a ideia do [[uniformitarismo]] e a lenta formação e movimento das rochas por longos períodos,{{Ref label|B|II|none}} pensamento logo sendo adotado por Darwin e que começou em seguida a teorizar seus próprios conceitos.<ref>{{Harvnb|Browne|1995|pp=183–190}}</ref> Na chegada ao [[Brasil]], Darwin encantou-se com a [[floresta tropical|florestas tropicais]]<ref>{{harvnb|Keynes|2001|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1925&pageseq=73 41–42]}}</ref> mas desprezou a escravidão na região, debatendo sobre o assunto com Fitzroy.<ref>{{harvnb|Darwin|1958|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1497&pageseq=75 73–74]}}</ref>
[[Ficheiro:HMS Beagle by Conrad Martens.jpg|250px|miniaturadaimagem|esquerda|O [[HMS Beagle]] na costa sul-americana, região onde Darwin encontrou e esboçou seus primeiros achados significativos.]]
A expedição prosseguiu ao sul da [[Patagônia]], com uma parada em [[Bahía Blanca]] e lugar onde Darwin fez a grande descoberta de fósseis de mamíferos extintos perto de conchas modernas, uma evidência de que extinções nem tão recentes ocorreram no sítio sem qualquer sinal de catástrofes ou outras alterações bruscas. Ele identificou o pouco conhecido ''[[Megatherium]]'' através de um dente e um osso do braço, um possível antigo parente gigante do [[tatu]]. Esses achados causaram grande interesse entre os cientistas quando Darwin voltou para a Inglaterra.<ref>{{Harvnb|Browne|1995|pp= 223–235}}<br />{{Harvnb|Darwin|1835|p=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?itemID=F1&viewtype=text&pageseq=7 7]}}<br />{{Harvnb|Desmond|Moore|1991|p= 210}}</ref><ref name=k206>{{harvnb|Keynes|2001|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1925&pageseq=138 206–209]}}</ref>
 
Três [[fueguinos]] foram capturados durante o primeiro ano de expedição do Beagle e posteriormente educados como missionários na Inglaterra. Darwin considerou eles amigáveis e civilizados, ainda que na [[Terra do Fogo]] ele acabou por encontrar "selvagens miseráveis e degradantes", nem tão diferentes quanto os animais da natureza.<ref>{{Harvnb|Darwin|1845|pp= [http://darwin-online.org.uk/content/frameset?itemID=F14&viewtype=text&pageseq=218 205–208]}}</ref> Darwin sempre permaneceu com a ideia que, apesar da diversidade, todos os humanos tinham o potencial para serem civilizados. Ao contrário de outros colegas cientistas, ele nunca considerou uma barreira intransponível entre humanos e animais.<ref>{{Harvnb|Browne|1995|pp= 243–244, 248–250, 382–383}}</ref> Após um ano, o projeto com os fueguinos foi abandonado. Um deles, com o nome adotado de [[Jemmy Button]], chegou a ter uma esposa, mas jamais desejou abandonar seus conterrâneos e ir para a Inglaterra.<ref>{{harvnb|Keynes|2001|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1925&pageseq=258 226–227]}}</ref>
 
Nas [[Ilhas Galápagos]], famosas por sua geológica vulcânica, Darwin buscou por evidências ligando a vida selvagem com elementos que indicassem um início de vida antiga na Terra, e encontrou [[Fringilla|tentilhões]] (família científica: ''Fringillidae'') que variavam entre si de ilha em ilha, inclusive daqueles encontrados no [[Chile]]. Darwin soube de carapaças [[tartaruga]]s correspondentes de cada uma das ilhas, mas acabou falhando em coletá-las pois foram servidas como comida no navio.<ref name=k356>{{harvnb|Keynes|2001|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1925&pageseq=388 356–357]}}</ref><ref>{{harvnb|Sulloway|1982|p=19}}</ref> Na [[Austrália]], os marsupiais ''[[potoroidae]]'' e o [[ornitorrinco]] chamaram tanta a atenção de Darwin pelas suas peculiaridades que ele chegou a cogitar na obra de dois distintos [[Demiurgo|Criadores]].<ref name=Crows>{{cite web|url=http://darwin-online.org.uk/EditorialIntroductions/Chancellor_fieldNotebooks1.3.html|title=Darwin Online: Coccatoos & Crows: An introduction to the Sydney Notebook|accessdate=2 de janeiro de 2009|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20090114015611/http://darwin-online.org.uk/EditorialIntroductions/Chancellor_fieldNotebooks1.3.html|archivedate=14 de janeiro de 2009|df=dmy-all}}</ref> Ele achou os [[Aborígenes australianos|aborígene]]s "bem-humorados e receptivos", e notou o quanto estavam ameaçados pela presença dos europeus.<ref>{{harvnb|Keynes|2001|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1925&pageseq=430 398–399].}}</ref>
 
Fitzroy investigou como os atóis das [[Ilhas Cocos (Keeling)|Ilhas Cocos em Keeling]] foram criados, e suas pesquisas corroboraram na formação da teoria de Darwin.<ref name=atolls /> O capitão começou a anotar os diários oficiais da expedição Beagle, anexando-os com os de Darwin após uma proposta.<ref name=Letter301>{{cite web|url=http://www.darwinproject.ac.uk/darwinletters/calendar/entry-301.html|title=Darwin Correspondence Project&nbsp;– Letter 301&nbsp;– Darwin, C.R. to Darwin, C.S., 29 Apr 1836|deadurl=no|archiveurl=https://www.webcitation.org/617qzmWSB?url=http://www.darwinproject.ac.uk/entry-301|archivedate=22 de agosto de 2011|df=dmy-all}}</ref> O diário de Darwin foi posteriormente separado em um terceiro volume sobre história natural.<ref>{{Harvnb|Browne|1995|p= 336}}</ref>
 
Em [[Cape Town]], Darwin e Fitzroy conheceram [[John Herschel]], apoiador do uniformitarianismo de Lyell e de "mente aberta para o mistérios dos mistérios, o porquê da 'substituição' de espécies por outras", em um processo "que contraria uma intervenção milagrosa".<ref name=Rascals>{{harvnb|van Wyhe|2007|p=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=A544&pageseq=21 197]}}</ref> Enquanto organizava seus diários na volta para casa, Darwin deixou anotado que, se suas suspeitas sobre os fringilídeos, tartarugas e [[raposa]]s das [[Ilhas Falkland]] estavam corretas, " tais fatos 'estabelecem' uma base comum entre as espécies", e então cuidadosamente acrescentou um "poderia estabelecer" ao invés de apenas "estabelecer".<ref name=xix>{{Harvnb|Keynes|2000|pp=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1840&pageseq=22 xix–xx]}}<br />{{Harvnb|Eldredge|2006}}</ref> Mais tarde Darwin foi incisivo que os fatos "jogam uma luz para mim sobre a origem das espécies".<ref>{{Harvnb|Darwin|1859|loc=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?itemID=F373&viewtype=text&pageseq=16 p. 1]}}</ref>
 
=== Surgimento e conceito da teoria evolutiva ===