Los cetáceos poseen ancestros que habitaron antiguamente en tierra firme. Su origen queda claro cuando notamos que respiran aire de la superficie, los huesos de sus aletas pectorales asemejan manos, y presentan un movimiento vertical de la columna vertebral al nadar (característica más semejante al caminar de los mamíferos que al nadar de los peces).
La forma en como estos animales evolucionaron de la vida terrestre a una total dependencia del agua fue un misterio por mucho tiempo, debido a las «lagunas» de registros fósiles. Sin embargo, recientes descubrimientos han posibilitado ver la transición de los cetáceos a la vida acuática.
Teoría tradicional y recientes descubrimientos
La teoría tradicional de la evolución de cetáceos es que las ballenas estaban relacionados con los mesoniquios, un orden extinto de ungulados carnívoros, que parecían más bien lobos con pezuñas. Estos animales poseían inusuales dientes triangulares, similares a los de las ballenas. Por esta razón, los científicos han creído por mucho tiempo que las ballenas evolucionaron de una forma de Mesonychia.
Sin embargo, desde comienzos de la década de 1990 el análisis de ADN indica que las ballenas deben incluirse entre artiodáctilos. Lo más probable es que son un grupo Hippopotamidae, profundamente emparentado a los artiodáctilos. El reciente descubrimiento de Pakicetus, la primera proto-ballena, apoya los estudios de ADN. Los esqueletos de Pakicetus no derivan directamente de Mesonychia, pues realmente los proto-ballenas fueron artiodactilos. Una implicación interesante es que los primeros antepasados de todos los mamíferos con pezuña, fueron probablemente al menos en parte carnívoros o carroñeros. Los cetáceos, debido a la fácil disponibilidad de animales de presa y su necesidad de mayor contenido calórico para vivir como marinos endotermos, conservaron su dieta carnívora, al igual que los Mesonychia.
Indohyus (Raoellidae)
Indohyus era una pequeña criatura algo parecida a un ciervo, que vivió hace unos 48 millones de años en la región de Cachemira. Pertenece a la familia de artiodáctilos conocida como Raoellidae, que se cree era el grupo hermano más cercano de Cetacea. Con el tamaño de un mapache o un gato doméstico, este animal herbívoro compartía algunos rasgos de las ballenas, siendo el más notable el involucrum, un patrón de crecimiento óseo que es un rasgo característico de los cetáceos, y no se halla en ningún otro grupo. También mostraba signos de adaptaciones a la vida acuática, incluyendo una cubierta externa gruesa y pesada y huesos de las extremidades densos que reducen la flotabilidad de modo que pudieran permanecer bajo el agua, siendo similares a las adaptaciones halladas en animales como los hipopótamos. Esto sugiere una estrategia de supervivencia parecida a la del antílope almizclero enano de agua el cual, cuando se ve amenazado por un ave de presa, bucea en el agua y se esconde bajo la superficie por más de cuatro minutos
Pakicétidos (Pakicetidae)
Los Pakicetus fueron mamíferos terrestres con pezuñas, clasificados como cetáceos muy primitivos. Vivieron en el Eoceno temprano, alrededor de 53 millones de años atrás. Recuerdan a un perro, pero con pezuñas y una cola gruesa. Se les vincula con los cetáceos por sus oídos: la estructura de la bulla auditiva se forma únicamente a partir del hueso ectotimpánico, lo cual es muy inusual y sólo se asemeja a la de los cráneos de cetáceos; esta característica es definitoria de los cetáceos y no se halla en ningún otro mamífero. Al principio se creyó que el oído de Pakicetus estaba adaptado a oír bajo el agua, pero como se podría esperar de la anatomía del resto del esqueleto, los oídos estaban especializados en oír en el aire y la adaptación a oír bajo el agua debió ser posterior.
Los dientes de Pakicetus también se asemejan a los dientes de ballenas fósiles; eran aserrados y tenían forma triangular (recuerdan a los dientes de los tiburones).
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