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類祖先在離開海洋 2.5億年後重返海洋,被稱作“二次入水”,是進化史上一次罕見的重大轉折事件。

鯨類在生理及結構上都發生了顯著的改變以適應水中生活,例如具有增厚的皮下脂肪層(鯨油),長時間潛水及回聲定位的能力,同時具有強大的肌肉系統支援水中運動等。

最早出現的鯨類為原鯨科,生活在 5000萬年前,化石分佈在亞洲、非洲及北美。科學家對於在現今巴基斯坦發現的巴基鯨瞭解較多,這個生活在約 5300萬年前的生物化石,頭部鼻孔已移向後方,具有狹長腦室,且仍具有後肢。

較先進的古鯨,是曾經被認定為爬行動物的械齒鯨科,該科大約存活在 3800-4500萬年前,類似的化石也廣泛的在紐西蘭甚至南極被發現。這顯示古鯨在 4000萬年前便已擴散到南半球。

較先進的古鯨中另一分支,是至少包含有 6種動物的硬齒鯨亞科,它們有較窄小的上顎,可能為濾食性;或是像現生大多齒鯨般,能藉此構造迅速夾住魚、烏賊及鳥。

經歷漫長的演化過程後,古鯨的各個支系在漸新世逐漸滅絕,僅有兩個分支繁衍至今,即鬚鯨和齒鯨。

現代鯨類分為鬚鯨小目和齒鯨小目,都演化自古鯨小目,在 3400萬年前的漸新世初期便已分化。古鯨小目實際上是個並系群,包含了已滅絕的古代鯨類的最近共同祖先,但未包含其最近共同祖先的所有後代(即現代鯨類)。

鬚鯨小目種類較少,現存約 15種,分屬 4科:露脊鯨科、新鬚鯨科(或小露脊鯨科)、鬚鯨科、灰鯨科。鬚鯨口內無齒,上頜長有簾幕般的角質鯨鬚,濾食磷蝦、頭足類等。體積龐大,體長至少 6米。鬚鯨有兩個鼻孔,換氣時可以噴出兩股水柱。

齒鯨小目種類繁多,現存約 75種,分屬 9科:抹香鯨科、小抹香鯨科(侏儒抹香鯨科)、恆河豚科(淡水豚科)、喙鯨科(劍吻鯨科)、亞河豚科、拉河豚科、海豚科、鼠海豚科、獨角鯨科(一角鯨科),另有 1個單型的白鱀豚科,被認為已於 21世紀初功能性滅絕。齒鯨口內無須,但有牙齒,多呈圓錐狀,主要以烏賊、魚類為食。鼻孔只有一個。體型差異較大,從 1米長的侏海豚到 18米長的抹香鯨不等,通常雄性大於雌性。

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鯨類為現代哺乳動物中最適應水中生活者,在從陸生向水生轉變的歷程中,演化出近似魚類的外形,同時體毛退化(一些鯨類的

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