Durante los primeros años de su estancia en Down, Darwin completó la redacción de sus trabajos sobre temas geológicos y se ocupó también de una nueva edición de su diario de viaje, que en un principio había aparecido formando parte de la obra publicada por Fitzroy sobre sus expediciones; en las notas autobiográficas que redactó en 1876 (reveladoramente tituladas como Recollections of the Development of my Mind and Character), Darwin reconoció que «el éxito de este mi primer retoño literario siempre enardece mi vanidad más que el de cualquier otro de mis libros». De 1846 a 1854 Darwin estuvo ocupado en la redacción de sus monografías sobre los cirrípodos, por los que se había interesado durante su estancia en las costas de Chile al hallar ejemplares de un tipo que planteaba problemas de clasificación. Esos años de trabajo sirvieron para convertirlo en un verdadero naturalista según las exigencias de su época, añadiendo al aprendizaje práctico adquirido durante el viaje la formación teórica necesaria para abordar el problema de las relaciones entre la historia natural y la taxonomía. Además, sus estudios sobre los percebes le reportaron una sólida reputación entre los especialistas, siendo premiados en noviembre de 1853 por la Royal Society, de la que Darwin era miembro desde 1839.
A comienzos de 1856 Lyell aconsejó a Darwin que trabajara en el completo desarrollo de sus ideas acerca de la evolución de las especies. Darwin emprendió entonces la redacción de una obra que, aun estando concebida a una escala tres o cuatro veces superior de la que luego había de ser la del texto efectivamente publicado, representaba, en su opinión, un mero resumen del material recogido al respecto. Pero, cuando se hallaba hacia la mitad del trabajo, sus planes se fueron al traste por un suceso que precipitó los acontecimientos: en el verano de 1858 recibió un manuscrito que contenía una breve pero explícita exposición de una teoría de la evolución por selección natural, que coincidía exactamente con sus propios puntos de vista. El texto, remitido desde la isla de Ternate, en las Molucas, era obra de Alfred Russell Wallace, un naturalista que desde 1854 se hallaba en el archipiélago malayo y que ya en 1856 había enviado a Darwin un artículo sobre la aparición de especies nuevas con el que éste se sintió ampliamente identificado. En su nuevo trabajo, Wallace hablaba como Darwin, de «lucha por la existencia», una idea que, curiosamente, también le había venido inspirada por la lectura de Malthus. Darwin puso a Lyell en antecedentes del asunto y le comunicó sus vacilaciones acerca de cómo proceder respecto de la publicación de sus propias teorías, llegando a manifestar su intención de destruir sus propios escritos antes que aparecer como un usurpador de los derechos de Wallace a la prioridad. El incidente se saldó de manera salomónica merced a la intervención de Lyell y del botánico Joseph Dalton Hooker, futuro director de los Kew Gardens creados por su padre y uno de los principales defensores de las teorías evolucionistas de Darwin, con quien le unió una estrecha amistad desde 1843. Siguiendo el consejo de ambos, Darwin resumió su manuscrito, que fue presentado por Lyell y Hooker ante la Linnean Society el 1 de julio de 1858, junto con el trabajo de Wallace y con un extracto de una carta remitida por Darwin el 5 de septiembre de 1857 al botánico estadounidense Asa Gray, en el que constaba un esbozo de su teoría. Wallace no puso nunca en cuestión la corrección del procedimiento; más tarde, en 1887, manifestó su satisfacción por la manera en que todo se había desarrollado, aduciendo que él no poseía «el amor por el trabajo, el experimento y el detalle tan preeminente en Darwin, sin el cual cualquier cosa que yo hubiera podido escribir no habría convencido nunca a nadie».
Tras el episodio, Darwin se vio obligado a dejar de lado sus vacilaciones por lo que a la publicidad de sus ideas se refería y abordó la tarea de reducir la escala de la obra que tenía entre manos para enviarla cuanto antes a la imprenta; en «trece meses y diez días de duro trabajo» quedó por fin redactado el libro On the Origin of Species by means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life, del que los primeros 1.250 ejemplares se vendieron el mismo día de su aparición, el 24 de noviembre de 1859. Las implicaciones teológicas de la obra, que atribuía a la selección natural facultades hasta entonces reservadas a la divinidad, fueron causa de que inmediatamente empezara a formarse una enconada oposición, capitaneada por el paleontólogo Richard Owen, quien veinte años antes había acogido con entusiasmo las colecciones de fósiles traídas por Darwin de su viaje. En una memorable sesión de la British Association for the Advancement of Science que tuvo lugar en Oxford el 30 de junio de 1860, el obispo Samuel Wilberforce en calidad de portavoz del partido de Owen ridiculizó con brillante elocuencia las tesis evolucionistas, provocando una contundente réplica por parte de Thomas Henry Huxley, zoólogo, que fue el principal defensor ante la oposición religiosa de las tesis de Darwin, ganándose el sobrenombre de su bulldog. A la pregunta de Wilberforce sobre si a Huxley le hubiera sido indiferente saber que su abuelo había sido un mono, la respuesta inmediata fue, según el testimonio de Lyell: «Estaría en la misma situación que su señoría».
Darwin se mantuvo apartado de la intervención directa en la controversia pública hasta 1871, cuando se publicó su obra The Descent of Man and Selection in Relation to Sex, donde expuso sus argumentos en favor de la tesis de que el hombre había aparecido sobre la Tierra por medios exclusivamente naturales. Tres años antes había aparecido su estudio sobre la variación en animales y plantas por los efectos de la selección artificial, en el que trató de formular una teoría sobre el origen de la vida en general («pangénesis»), que resultó ser la más pobre de sus aportaciones a la biología. En 1872, con The Expression of the Emotions in Man and Animals, obra seminal de lo que luego sería el estudio moderno del comportamiento, Darwin puso fin a sus preocupaciones por los problemas teóricos y dedicó los últimos diez años de su vida a diversas investigaciones en el campo de la botánica.
A finales de 1881 comenzó a padecer graves problemas cardíacos y falleció a consecuencia de un ataque al corazón el 19 de abril de 1882.
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