天擇在現代演化生物學中被視為族群遺傳學動態系統的一個向量場，其理論骨幹由 Fisher、Haldane、Wright 在 1920–1930 年代奠定，近 30 年則因分子層級資料爆炸而被重新檢視。
Fisher 基本定理與適應度幾何
Fisher（1930, Genetical Theory of Natural Selection）提出：族群平均適應度的變化率等於加性遺傳變異，即 dW̄/dt = V_A(W)/W̄。這說明只要有加性變異，天擇就會提升平均適應度；但環境變動、負回饋（密度依賴、頻率依賴）會持續消耗這個「適應度盈餘」，造就永恆的紅皇后動態（van Valen, 1973）。Price 方程（Price, 1970）更一般化：Δz̄ = Cov(w, z)/w̄ + E(wΔz)/w̄，把選擇與傳遞誤差分離，成為多層次選擇、親緣選擇、文化演化的統一框架。
定量：Lenski 長期演化實驗（LTEE）
Richard Lenski 自 1988 年起以 E. coli 進行 12 條平行演化譜系的 LTEE，已超過 75,000 代（Lenski et al., 1991; Good et al., 2017, Nature）。適應度相對祖先的增長呈次冪函數 w(t) = (1 + bt)^a，顯示報酬遞減（diminishing returns epistasis）——每個新有利突變提供的增益隨族群已演化程度下降。其中一條譜系在約 31,500 代出現有氧利用檸檬酸能力（Cit+），為實驗室觀察到的關鍵創新（key innovation）——需要兩個先決突變的 historical contingency（Blount et al., 2008, PNAS）。
選擇的分子偵測
- dN/dS（Ka/Ks）比值：非同義 / 同義替換率之比。dN/dS > 1 為正向選擇（如免疫相關的 MHC、病毒套膜蛋白）；dN/dS < 1 為純化選擇；= 1 近中性。McDonald-Kreitman test（1991）比較種內多型與種間分化，估計正向選擇比例 α。
- 選擇性掃除（selective sweep）：有利突變快速固定時帶走鄰近中性變異，形成區域性雜合度谷（Maynard Smith & Haigh, 1974）。人類 LCT 基因（乳糖耐受）、SLC24A5（膚色）皆可偵測到 hard sweep 訊號。
- soft sweep 指從多個既存變異（standing variation）同時上升，訊號較隱晦，是近 15 年分子族群遺傳的焦點（Hermisson & Pennings, 2005）。
中性與近中性挑戰
Kimura（1968, Nature）、Ohta（1973）的中性與近中性理論主張多數分子變異是中性或輕微有害，漂變主導。當代共識：中性與天擇並非對立，而是作用於不同位點、不同尺度——功能性位點受強選擇，junk DNA 近中性，弱選擇位點則受族群大小調控（Lynch, 2007, The Origins of Genome Architecture）。
多層次選擇與社會演化
Hamilton（1964）的 inclusive fitness、Price 方程的層級分解（群內差異 − 群間差異）、以及 Wilson & Wilson（2007）重提的群擇爭論，顯示天擇可同時在基因、個體、群體層級作用，但量化上仍以 inclusive fitness 最可操作。
當代前沿：實驗演化（E&R studies）結合全基因組測序、古 DNA 揭示的 Holocene 近期人類選擇、CRISPR 功能驗證候選位點、以及機器學習（如 ImaGene, diploS/HIC）自動辨識選擇訊號，都是 2015 年後爆發的方向。