一般认为作为头索动物门的文昌鱼是脊椎动物的祖先，但是最近在中国发现的海口鱼化石却改变了这一看法。1999年在5亿3千万年前的早寒武世澄江化石库中发现”裸体”昆明鱼和海口鱼，将已知最古老脊椎动物记录前推了约5000万年， 据介绍，现生最低等的脊椎动物是无颌类中的圆口类，它包括盲鳗和七鳃鳗两个类别。前者仅以纵贯躯干的粗壮脊索构成它的轴向支撑，脊索的周围并无任何脊椎组分；后者的情形相似，所不同的是，在脊索的背方出现了很小的弧片状脊椎组分。而海口鱼则在脊索的周围形成了按节排列的软骨型原始脊椎，显然进一步强化了中轴构造对躯体的支撑作用。此外，这些原始脊椎的背方和腹方还出现了成对神经弧和血管的雏形。 显然，单从脊椎骨的发育程度上看，海口鱼似乎比现代圆口类更为脊椎动物化。但有趣的是，海口鱼头部显示出一种奇特的性状组合：一方面，头部两侧一对外露的大眼睛，连同前端的单鼻孔和随后的一对嗅囊以及眼后可能存在的耳囊，表明它已有明确的脑分化，从而由低等脊索动物”无头类”跨入了高等脊索动物”有头类”的行列。但另一方面，尽管其眼体相当发育，但并无明确的眼眶骨。 实际上，这种动物还没有发育出真正的软骨型头颅。显然，在这方面它又不及现生圆口类进步。更能显示海口鱼原始性的性状是，它与具有”集中型”生殖腺体的所有现生脊椎动物不同，仍保留着其祖先类型的多对”重复型”生殖腺。这一混合性状显示，海口鱼生殖器官的演替也明显滞后于其非生殖器官的进化。显然，这一已知最古老脊椎动物独特的镶嵌构造特征，很可能恰好代表着进化科学界期盼已久的由无头类进化到有头类的关键环节。实际上，对现生和化石低等鱼类进行分支谱系分析的结果也证实，海口鱼的确是已知最原始的有头类。
无颌类中的圆口类脊椎动物出现于距今4亿5千万年前的奥陶纪，但只是发现了些零星残破的骨片。到志留纪（距今4亿年前）开始才有比较完好的化石，到泥盆纪（距今3亿6千万年前），这些最早脊椎动物的身体虽呈鱼形，因而常与鱼类放在一起讨论，但实际上它们和真正的鱼类很不一样。首先，它们没有上、下颌，只有一个漏斗式的口，不会主动捕食，故称无颌类。无颌类种类繁多，形态各异，但都披有骨质的甲片，故又称甲胄鱼。无颌类的现生代表盲鳗和七鳃鳗却无甲胄。在无颌类的进化早期，前面的一对鳃弓发生了变位和变形，转化成为上、下颌，这样，便出现了有颌脊椎动物。颌的出现，是脊椎动物进化史中第一次重大的”革命”，从此它们便可主动捕食了。盾皮鱼类是最早的有颌脊椎动物，大多也披有甲片，主要生活在志留纪和泥盆纪（距今3亿6千万年前），现已绝灭。从原始有颌类进化出软骨鱼类和硬骨鱼类，它们分别迅速分化增长，到泥盆纪大为繁盛，超过了一切无脊椎动物和无颌类，成为地球水域中最占优势的动物，所以泥盆纪有”鱼类时代”之称。软骨鱼类和硬骨鱼类现今仍还很繁盛。到泥盆纪晚期（距今约3亿5千万年前），硬骨鱼类中的一支，在不断改造自身的过程中，逐步适应陆地生活，于是支撑上陆，成为最早陆生脊椎动物——两栖类。这是脊椎动物进化历程中又一次重大的”革命”或飞跃。正因为它们登了陆，后来脊椎动物才有可能在陆地上大发展，最后进化出我们人类。进化为两栖类的祖先，是比较基底、原始的鱼类，它有较大的可塑性；而最进步的现生鱼类，业已特化，不可能”变”为两栖类。
在脊椎动物进化史中，石炭纪一二叠纪（距今2亿5千万年前）被称为”两栖动物时代”。那时，两栖动物非常繁盛，是当时地球上占统治地位的”高等”动物。可有意思的是，正当两栖动物方兴未艾时，按生殖方式分类，脊椎动物可分为非羊膜类和羊膜类两大类。前者包括鱼类和两栖类，后者包括爬行类、鸟类和哺乳类。爬行类是脊椎动物中最先具羊膜卵的动物。所谓羊膜卵，就是这种卵在胚胎发育过程中有一羊膜，羊膜腔中充满羊水，胚胎就沐浴在这水域环境中，避免胎儿干死。有了羊膜卵，动物才有可能彻底摆脱自然水的束缚，深入内陆，把卵产在干燥陆地上，孵化小动物。不再像鱼类和两栖类那样，必须把卵产在自然水中并在那里孵化。无可否认，羊膜卵的出现，又是脊椎动物进化史上的一大飞跃！
爬行动物自石炭纪出现后，经二叠纪的酝酿，进入中生代便大为发展，分支之多，种类之繁达到空前地步，占据了陆、海、空三大生态领域。可是，当爬行动物刚建立不久，在石炭纪晚期（距今约3亿年前），一支名为下孔类（Synapsida）（或叫似哺乳爬行动物，mammal-like reptiles）的爬行动物，从原始爬行动物的基干部分化出来，背离繁茂的主干，默默无闻地朝着哺乳动物方向发展。经过二叠纪和整个中生代1亿（六）7千万年的酝酿，眼看恐龙的兴起、鼎盛和灭亡后，到新生代（距今7千万年以前），它的后裔——哺乳动物才最终取得胜利，”统治”现今世界。鸟类也是从爬行动物进化来的，但起始要比哺乳动物晚 1亿 5千万年。现知最早的鸟类代表来自晚侏罗世（距今1亿4千万年前）。
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