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哺乳动物虽然在六千多万年前恐龙灭绝以后才统治大地，但哺乳动物的起源要追溯到远比恐龙更古老的年代，在最早的爬行动物出现后不久，向着哺乳动物方向进化的一支就已经出现，这一支就是似哺乳爬行动物（下孔亚纲），似哺乳爬行动物在恐龙统治大地之前曾经繁盛一时。
第一批爬行动物出现在大约三亿年前古生代的石炭纪。石炭纪的这第一批爬行动物已经表现出了三个不同的进化方向。Hylonomus是爬行动物中最原始的无孔类的代表。无孔类包括原始的杯龙类、中龙类和后来的龟鳖类（龟鳖类的起源现在还不很清楚）。Petrolacosaurus可能是最原始的双孔类。双孔类是爬行动物的主干，包括恐龙、翼龙和除龟鳖类外所有的现代爬行动物等，鸟类也起源于双孔类。Ophiacodon（蛇齿龙）是最原始的盘龙类，盘龙是早期的下孔类，代表向哺乳动物进化的方向。Hylonomus和Petrolacosaurus都是体型很小的动物，但Ophiacodon体型要大许多，体长可达3米。
下孔类进化的很快，到二叠纪早期，Ophiacodon就分化出两支后代，Sphenacodontia（楔齿龙）和Edaphosauria（基龙）。楔齿龙以Dimetrodon（异齿龙）为代表，是凶猛的食肉动物；基龙以Edaphosaurus（基龙）为代表，是植食动物。这二者虽然食性不同，但有不少共同点，二者体型都比较大，长达三米。二者最重要的共同特征是背上都有巨大的“帆”。关于“帆”作用，有人推测可能与调节体温有关。
基龙类没有留下后代，楔齿龙类则进化出了进步的下孔类-兽孔类。早期的兽孔类与楔齿龙类非常相似，而晚期的一些进步的兽孔类则与哺乳动物几乎没有什么区别。兽孔类从早期的始巨鳄起，到二叠纪晚期就迅速分化出以肉食为主的兽齿类（有些晚期种类是植食性的）和植食的缺齿类。在古生代二叠纪晚期地球上第一次物种大灭绝时，兽孔类也有不少种类灭绝，但在中生代三叠纪早期，兽孔类又繁盛起来。二叠纪晚期到三叠纪早期的兽孔类种类众多，分布广泛，而且占据从肉食到植食的不同生态位，可以说是大地的主宰。二叠纪的Moschops和三叠纪的Dinodontosaurus都体大如河马，是当时陆地上最大的动物之一。水龙兽(Lystrosaurus)则是世界上分布最广泛的动物，在很多大陆都有发现，被当做是大陆漂移的证据。
兽齿类是兽孔类中最重要的类群，是哺乳动物的祖先。兽齿类和哺乳动物一样有了牙齿的分化，并且可能已经身披毛发，是恒温动物了。三叠纪晚期到侏罗纪初期的一些兽齿类如三列齿兽类（包括我国的卞氏兽Bienotherium）和鼬龙类(Ictidosauria)等与哺乳动物非常相似。三列齿兽是进步的植食性兽齿类，曾经被当做是哺乳动物中的多瘤齿兽。鼬龙是小型的肉食动物，是最进步的兽齿类，正处在爬行类和哺乳类的分界线上。三列齿兽和鼬龙等出现的太晚，当时已经有真正的哺乳动物出现了，所以它们不可能是哺乳动物的祖先，哺乳动物的祖先应该是更早期的一些兽齿类。在三叠纪时，另一类爬行动物-双孔类的初龙类兴起，早期的初龙是槽齿类，主要是些食肉种类。在三叠纪中期由槽齿类进化出了恐龙，到三叠纪晚期，蜥臀目和鸟臀目都已有不少种类，恐龙已经是种类繁多的一个类群了，在生态系统占据了重要地位。初龙的兴起可能对下孔类产生了巨大的冲击，初龙类特别是恐龙类很快取得了优势地位，下孔类则逐渐衰落，只有少数种类残存到侏罗纪。而下孔类的后代-哺乳动物，在恐龙的统治下继续生存了一亿多年，并熬过了中生代白垩纪末的大灭绝，在恐龙灭绝后重新繁盛，成为新生代的统治者。
哺乳最早出现在三叠纪末到侏罗纪初，最早的哺乳动物是些体型非常小的食虫动物，如我国的中国锥齿兽(Sinoconodon)，在侏罗纪出现了植食的多瘤齿兽类(Multituberculata)，也是体型比较小的类群。在整个恐龙统治大地的一亿多年时间内，哺乳动物一直是不很起眼的小型动物，直到中生代结束时也没有出现过体型巨大的种类。在恐龙灭绝后，哺乳动物进化迅速，到始新世就已经达到全面繁盛，陆地上再次出现犹它兽那样的巨兽（虽然比恐龙还是要小很多），并且已经开始向海洋和天空进军了。
附：似哺乳动物爬行动物的分类（《中华大百科全书-生物分册》引自A.S.罗默，1966）
下孔亚纲Synapsida
盘龙目
蛇齿龙亚目Ophiacodontia
楔齿龙亚目Sphenacodontia
基龙亚目Edaphosauria
兽孔目
始巨鳄亚目Eotitanosuchia(Phthinosuchia)
兽齿亚目Theriodontia
缺齿亚目Anomodontia（异齿亚目）
参考书目：《中华大百科全书-生物分册》、《生物史图说》、《The Reign Of The Reptiles》、《The Rise Of Mammals》。
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