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A história dos vertebrados cobre um penado de mais de 500 milhões de anos. Pensamos no ser humano como o vertebrado mais altamente evoluído, especializado em muitas estruturas - mãos, pés, coluna vertebral, cérebro -, mas a estrutura e organização do corpo humano, foram determinados no longo e complexo curso da evolução. Quando deixamos de lado as características especiais dos humanos e os comparamos com outros vertebrados, um plano básico do corpo pode ser identificado. Presumivelmente ancestral esse plano consiste em uma organização bilateral tubular, com características como notocorda, fendas faríngeas, tubo nervoso dorsal oco, vértebras e crânio. Um protocordado, o anfioxo, e a larva amocete das lampréias dão uma idéia de como podem ter sido os primeiros vertebrados. Os vertebrados mais antigos conhecidos são os ostracodermes, animais aquáticos primitivos sem maxilas, aparentados com as lampréias e feiticeiras, que aparecem pela primeira vez no Cambriano superior e Ordoviciano.
Eles eram completamente recobertos por uma pesada armadura dérmica óssea. Não foram encontrados fósseis intermediários entre os ostracodermes e qualquer dos supostos progenitores invertebrados dos primeiros vertebrados, mas algumas idéias da possível origem destes últimos podem ser inferidas pela comparação das formas atuais. A notocorda fendas faríngeas e tubo nervoso dorsal oco são compartilhados com certos animais protovertebrados, e é mais provável que os vertebrados tenham se originado de cordados com os caracteres gerais do anfioxo. A teoria de Garstang da evolução dos vertebrados a partir de um estágio larval como o dos tunicados é comumente aceita, mas permanece sem provas. Retrocedendo na história evolutiva, os cordados são mais proximamente aparentados aos Echinodermata e certos grupos de loforados que em relação a qualquer outro filo de invertebrados. Os primeiros animais que podem ser chamados de vertebrados provavelmente evoluíram nos mares cambrianos. Embora esta seqüência de eventos não constitua a história comprovada das origens dos vertebrados, ela é um bom exemplo de como os biólogos elaboram hipóteses evolutivas a partir de estudos comparados de animais fósseis e atuais cordados.