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脊椎动物起源于约5.25亿年前的寒武纪大爆发时期，已知最早的脊椎动物被认为是昆明鱼（Myllokunmingia）和海口鱼（Haikouichthys），与寒武纪的其它动物不同，这些动物具有基本的脊椎动物身体结构：脊索、原始的脊椎、明显的头和尾巴。早期脊椎动物都缺乏可活动的颌关节，它们依靠滤食微生物来生存。 第一种有颌的脊椎动物出现在奥陶纪末，在泥盆纪时期变得普遍，两类硬骨鱼——辐鳍鱼类和肉鳍鱼类进化出现并变得普遍，泥盆纪通常被称为“鱼的时代”。泥盆纪晚期还出现了最早的迷齿类，这是鱼类和两栖动物之间的过渡形式。 羊膜动物在随后的石炭纪从迷齿类分离出来，其中的一支作为传统爬行动物的蜥形纲统治了整个中生代，今天生活在我们身边的爬行动物，还有恐龙都属于蜥形纲。在三叠纪晚期，最早的哺乳动物由羊膜动物的另外一支——合弓纲兽孔类中的一支进化出来。鸟类是恐龙的后裔，在侏罗纪晚期由兽脚类恐龙中的一支小型恐龙进化而来。白垩纪末期非鸟类恐龙的消亡使哺乳动物得以扩展。 所有现存脊椎动物（约32000种）的一半以上都是鱼类（非四足类），其余的脊椎动物是四足动物，构成一个单一的谱系，包括两栖动物（大约有7000种）；哺乳动物（大约有5500种）；爬行动物和鸟类（大约有20000种）。四足动物是大多数陆地环境中占主导地位的大型动物，也包括许多部分或全部水生动物群（如海蛇、企鹅、鲸类）。