中生代是爬行动物的时代，它们爆发式的辐射进化的结果，不仅是出现了各式各样的恐龙，而且鱼龙、蛇颈龙、沧龙等还重返海洋，成为了海洋的霸主。另外，各种各样的翼龙则飞上了蓝天，成为脊椎动物的飞行先锋。
历史总是有惊人的相似。到了新生代，当哺乳动物爆发式的辐射进化发生的时候，又有一些哺乳动物类群重新适应了海洋生活，回到海洋里重新占据了那些曾经由海洋爬行动物占据的生态位。它们就是我们所熟悉的海狮、海象、海豹、海牛以及各种鲸类。同样，也有一些哺乳动物开始适应了飞行生活，它们就是给许多人“夜空幽灵”般可怕印象的翼手目动物--各种各样的蝙蝠。
海狮、海象和海豹出现的历史并不很长，它们的化石记录最早在中新世被发现。动物学家把它们统归在食肉目的鳍脚类亚目里，但是它们很可能代表着2-3条
从狗形类里起源的平行进化支线。
在从陆生到水生的演化中．鳍脚类的身体变成了适于游泳的流线形，四肢则变成了指间有蹼的桨状的鳍足。前鳍足的作用是在游泳时划水、平衡身体和掌舵．而后鳍足的作用相当于尾鳍。海狮和海象的后鳍足能够随意向前或向后，在陆地上行动时可以起到辅助性的作用。悔豹的后鳍足只能向后，因此它们在陆地或冰块上移动时就只能以腹部作弯曲动作的方式进行。
鳍脚类的牙齿都特化成了适于捕鱼的锥形齿。但是海象有大的犬齿，尤其是雄性犬齿很大，在争夺配偶的战斗中很有用。它们的颊齿增宽，以适应压碎它们喜吃的贝类的壳。
海狮化石发现于太平洋沿岸，海象发现于太平洋和大西洋，而海豹的分布区域则很广。
海牛类则属于另外一类哺乳动物--海牛目，它们是生活在海洋或河流人海的河口水域中的有蹄类动物。不过它们的“蹄子”早已因适应于水生而退化，前肢变成了桨状，后肢则完全退化，连腰带都退化成了一根棒状骨。此外，它们的身体变成了鱼雷形，尾巴变成了宽阔的尾鳍。
海牛是以水生植物为食的。它们的头骨又长又低，其背部与始祖象的头骨有一定的相似。颊齿也与第三纪的某些长鼻类一样，或者有双重横脊，或者有钝的齿尖。
最早的海牛类化石是与始祖象一起在埃及的法尤姆始新世地层里发现的。此后它们的一支在大西洋两侧的非洲和美洲沿岸演化成今天的海牛，另一支则在太平洋和印度洋海滨演化成现代的儒艮。
地球上最成功的海洋哺乳动物要属鲸类。它们的身体和四肢骨骼演变得简直就像鱼一样了，难怪被人们俗称为“鲸鱼”。当然，它们不是鱼类，它们是温血的、胎生哺乳并有很高智力的高等脊椎动物。
鲸类包括齿鲸和须鲸两大类，前者包括大多数的鲸类和江豚、海豚，它们嘴里长着锋利的牙齿，捕鱼的本领特别高；后者没有牙齿，但是从口盖上长满了纤维状的几丁质鲸须，用来从水里过滤浮游生物为食。可能是由于浮游生物这种食物资源的丰富，使得须鲸类向着巨型化发展，现代的蓝鲸身体可以长到接近40米长，体重超过150吨。
现代的鲸有着光滑的皮肤和流线形的体型，硕大的尾部在海水中击起千层巨浪，推动身体在大海里自由地邀游。但是在悠远的地质年代，鲸类也曾经是四肢发达的陆生动物，最近巴基斯坦发掘出的一具5 000万年前的始新世遗留下来的带有肢骨和足骨的鲸化石就证明了这一点。
过去认为，鲸类是从一种叫做中兽类的现已灭绝的古老哺乳动物类群中演化出来的。这些鲸类的祖先有点像大型的狼，曾经在当时的大陆上漫游和追踪猎物。直到距今5 700万年前，即始新世之初，这些食肉动物在生活环境的压力下，开辟了一个新的生态位，结果使它们的躯体经历了深刻的演变。渐渐地，它们的四肢和骨盆退化了，尾部越来越强壮，并且变成了桨叶状用来拍击海水，以此推动这些“海中巨兽”在海洋中邀游。
但是近来一些科学家根据对四肢骨骼的比较研究，认为鲸类与我们所熟悉的偶蹄类有更近的亲缘关系。如果这个假说成立的话，那么我们对鲸类的起源就不得不有一个全新的认识了。
不管祖先是谁，这些水生哺乳动物靠着身体及器官的某些特化，才使它们得以适应水生生活。同样，那些飞行的哺乳动物也需要产生某种身体或器官的特化。而在这方面，蝙蝠类的方式与翼龙类是惊人的相似。例如，蝙蝠的前肢骨骼伸长，除了大拇指外的其他指骨也伸长，从而能够支撑起相当大的皮膜质翅膀用来飞翔。不过，蝙蝠类的后肢却变得很纤弱，以至于它们到了地面上几乎是“寸步难行”。好在蝙蝠类后足上长着爪子，这使得它们在睡觉时可以倒挂在树上或粗糙的岩洞顶壁上。
现生的蝙蝠有170属917种，是仅次于啮齿类的第二大类哺乳动物，最早的蝙蝠发现于北美早始新世地层中，名叫伊卡洛蝠。
与鸟类相比，蝙蝠类的飞行能力可能并不出众，但是它们能够在绝大多数鸟类都已经安眠的夜间，靠声纳的指挥毫无障碍地飞来飞去，并且准确无误地捕食各种昆虫。当然，并不是所有的蝙蝠都以捕虫为生，食果蝠是以水果为食的，而热带美洲的吸血蝠则靠从大的哺乳动物身上吸食血液为生，这也许就是蝙蝠类总是被人们视为可怕的“夜空幽灵”的原因吧。 | | |
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