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Hoy en día pueden apreciarse vestigios de la antigua vida terrestre que tuvieron los ancestros de los actuales cetáceos, como que las ballenas y delfines respiren aire, los vestigios de huesos de manos y caderas típicos en mamíferos terrestres o el movimiento vertical de sus espinas dorsales a diferencia del movimiento horizontal de los peces, etc.

El ancestro de la ballena más antiguo conocido es el Pakiceto, un ungulado terrestre de la familia de los artiodáctilos que vivieron en el eoceno temprano hace 52 millones de años y mas bien parecidos a perros. Más tarde evolucionan los ambulocetidos similares a cocodrilos pero inequívocamente mamíferos con membranas entre sus dedos que les permitían moverse cómodamente en el agua. Aparecen luego los Protocetidos como el rodhocetus mucho más adaptados al agua aunque también se adentraban en tierra.

Luego entran en escena los basilosauros y dorudontidos, ancesttros de las ballenas más cercanos y totalmente adaptados al mar, abandonando la tierra para siempre hace 38 millones de años. Los misticetos evolucionan ya muy parecidos a las ballenas actuales y con el melón, un órgano de ecolocación que poseen ballenas y delfines para guiarse en el mar.