El Basilosaurus (descubierto en 1840 e inicialmente confundido con un reptil, de ahí su nombre) y el Dorudon vivieron alrededor de 38 millones de años atrás (en ellos ya son reconocibles los rasgos de cetáceos, modernos) viviendo en su totalidad en el océano. El Basilosaurus era una criatura monstruosa, hasta 18 m de largo; el Dorudon alrededor de 5 m de largo.
A pesar de que se parecen mucho a los cetáceos modernos, tanto los basilosáuridos como dorudóntidos carecía del órgano del melón que permite a sus descendientes la ecolocalización. Tenían pequeños cerebros, lo que sugiere que fueron animales solitarios y no poseían la compleja estructura social moderna de algunos cetáceos. El Basilosaurus tenía dos pequeñas pero bien formadas piernas traseras que probablemente fueron utilizados para el agarre durante el apareamiento (un pequeño recordatorio de la vida de sus antepasados terrestres).
Aparición de los misticetos
Los misticetos modernos son las ballenas con barbas, que se alimentan filtrando el agua, aunque puede variar un poco el tipo de alimento (desde krill a arenques). Los primeros miembros de estos grupos aparecieron durante el Mioceno medio. Estos cambios en su alimentación pudieron deberse a cambios ambientales y físicos en los océanos. Un gran cambio en la escala de las corrientes marinas y la temperatura podría haber iniciado la evolución de los modernos misticetos, dando lugar a la desaparición de las formas arcaicas (como por ejemplo, Basilosaurus).
En general se piensa que los cuatro representantes modernos de los mistocetos (Balaenidae, Balaenopteridae, Eschrichtiidae y Neobalaenidae) evolucionaron a partir del Cetotherium, sin embargo, esto es solo una especulación, pues estas cuatro familias modernas poseen características desconocidas en cualquier Cetotherium.
Aparición de los odontocetos
Durante el Mioceno temprano, comenzó a desarrollarse la ecolocalización por parte de los cetáceos, en su forma moderna. Florecieron diversas familias de delfines (Kentriodon y Hadrodelphis). Estos pertenecieron a los Kentriodontidae, que fueron pequeños y medianos cetáceos con gran cantidad de dientes, durante el Oligoceno tardío al Mioceno tardío.
Evolución del esqueleto
Hoy en día, los cetáceos presentan como órgano vestigial lo que en algún momento de su evolución correspondía al coxal (hueso de la pelvis). Su función actual se reduce al anclaje de órganos genitales.
En un comienzo, cetáceos como el Pakicetus tenían las aberturas nasales en el extremo del hocico, más tarde en especies como el Rodhocetus, las aberturas habían iniciado la deriva hacia la parte superior del cráneo. Esto se conoce como deriva nasal.
Las extemidades superiores no cambiaron mucho internamente. Puede que las ballenas y delfines tengan aletas, pero aún conservan los huesos de sus antepasados, es decir, el cambio fue solamente externo.
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