La source fondamentale de l'adaptation est la variation génétique. Cette variation apparaît principalement par mutation, recombinaison génétique et flux de gènes entre populations. Les mutations sont des modifications aléatoires de la séquence d'ADN et constituent la matière première de l'évolution. Certaines mutations sont neutres ou délétères, mais une petite proportion peut conférer un avantage adaptatif dans certaines conditions environnementales. La recombinaison génétique, qui se produit lors de la méiose, réarrange les allèles présents sur les chromosomes et produit de nouvelles combinaisons génétiques. Le flux de gènes, résultant de la migration d'individus entre populations, introduit également de nouvelles variantes génétiques qui peuvent devenir adaptatives si elles améliorent la survie ou la reproduction.

Le processus central qui transforme la variation génétique en adaptation est la sélection naturelle, concept fondamental formulé par Charles Darwin et formalisé génétiquement dans le cadre de la synthèse évolutive moderne par des chercheurs comme Ronald Fisher, J. B. S. Haldane et Sewall Wright. La sélection naturelle agit sur les différences de succès reproductif entre individus possédant différents génotypes. Si un allèle confère un avantage adaptatif, les individus qui le possèdent produisent en moyenne davantage de descendants, ce qui entraîne une augmentation progressive de sa fréquence dans la population au fil des générations. L'évolution adaptative peut ainsi être décrite comme un changement directionnel dans la fréquence des allèles sous l'effet de la sélection.

L'adaptation peut résulter de mutations dans des gènes codant des protéines ou dans des régions régulatrices du génome. Les mutations codantes modifient directement la structure et la fonction d'une protéine, ce qui peut influencer des processus biologiques tels que le métabolisme, la résistance aux toxines ou la tolérance aux variations de température. Les mutations dans les régions régulatrices affectent l'expression des gènes, c'est-à-dire le moment, le lieu et l'intensité avec lesquels un gène est exprimé. Dans de nombreux cas d'adaptation évolutive, les changements dans la régulation des gènes jouent un rôle majeur, car ils permettent des modifications phénotypiques sans altérer directement la structure des protéines.

Les adaptations peuvent être monogéniques ou polygéniques. Dans le cas monogénique, une mutation dans un seul gène peut produire un effet adaptatif significatif. Cependant, la plupart des caractères adaptatifs complexes, tels que la taille corporelle, la tolérance à la sécheresse ou la capacité de dispersion, sont polygéniques, c'est-à-dire qu'ils résultent de l'effet combiné de nombreux gènes ayant chacun un effet faible. L'adaptation polygénique implique souvent de petits changements simultanés dans la fréquence de nombreux allèles, ce qui produit une réponse évolutive graduelle. Ce type d'évolution est étudié dans le cadre de la génétique quantitative, qui analyse la variation continue des traits phénotypiques dans les populations.

La dérive génétique constitue un autre facteur évolutif influençant la dynamique des allèles. Contrairement à la sélection naturelle, la dérive génétique correspond à des fluctuations aléatoires des fréquences alléliques dues au hasard des reproductions. Dans les petites populations, la dérive peut être suffisamment forte pour fixer ou éliminer des allèles indépendamment de leur valeur adaptative. L'interaction entre dérive génétique et sélection naturelle détermine souvent la trajectoire évolutive réelle d'une population. Par exemple, une mutation faiblement avantageuse peut disparaître par dérive avant d'être favorisée par la sélection.

L'adaptation génétique peut également être influencée par la structure des populations et par les interactions entre gènes. Lorsque les populations sont subdivisées géographiquement, des pressions de sélection différentes peuvent conduire à des adaptations locales. Dans ce contexte, certains allèles deviennent avantageux dans un environnement spécifique mais pas dans un autre. De plus, les interactions épistatiques entre gènes peuvent modifier l'effet adaptatif d'une mutation. L'épistasie se produit lorsque l'effet d'un gène dépend de la présence d'autres gènes, ce qui crée des réseaux complexes d'interactions génétiques influençant l'évolution.

La génomique moderne a profondément transformé l'étude de l'adaptation. Les technologies de séquençage à haut débit permettent aujourd'hui d'identifier les régions du génome soumises à la sélection naturelle en comparant les génomes de différentes populations ou espèces. Les signatures génétiques de la sélection incluent par exemple les "balayages sélectifs", où une mutation avantageuse se propage rapidement dans une population, réduisant la diversité génétique autour du locus concerné. Ces analyses permettent d'identifier les gènes impliqués dans des adaptations telles que la résistance aux maladies, l'adaptation à l'altitude ou la tolérance aux conditions climatiques extrêmes.

Enfin, la génétique de l'adaptation joue un rôle essentiel dans de nombreux domaines appliqués. Elle contribue à la compréhension de l'évolution des agents pathogènes, notamment leur adaptation aux médicaments ou aux systèmes immunitaires des hôtes. Elle est également fondamentale pour la conservation de la biodiversité, car elle permet d'évaluer la capacité adaptative des populations face aux changements environnementaux rapides, comme ceux associés au changement climatique. Dans l'agriculture et l'élevage, la connaissance des mécanismes génétiques de l'adaptation permet d'améliorer les variétés végétales et les races animales afin qu'elles soient plus résistantes aux maladies ou mieux adaptées à des conditions environnementales spécifiques.