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Há aproximadamente 500 milhões, surgiram os primeiros animais vertebrados: os Ostracodermos. Esses tipos de animais eram semelhantes as lampreias, cujo eram desprovidos de mandíbulas e vivendo no fundo do mar de onde obtinham alimentos por filtração de sedimentos.
Com o passar dos tempos, vieram os placodermos, dotados de uma característica evolutiva da presença de mandíbulas móveis, juntamente com a presença de dentes afiados que lhes permitiu uma nova estratégia de se alimentar e comportar, como a predação de outros animais e mecanismos de ataque e fuga. Evoluções nos órgãos dos sentidos também tornaram os peixes mais complexos e mais eficientes em termos de orientação e movimentos mais dinâmicos devido ao desenvolvimento de nadadeiras pares.
No início da era paleozoica, segundo registros fósseis, surgiram os Chondrichthyes, sendo peixes marinhos de características como: endoesqueleto cartilaginoso, crânio de peça única, escamas placóides, clásper (aparecendo a fecundação interna, dando possibilidade a viviparierade e ovivipariedade). Os Chondrichthyes surgiram na era devoniana e sobreviveram até os dias de hoje.
Os osteichthyes, surgiram no início da era paleozoica e no final do período ordoviciano. Eles tiveram a origem de peixes de água doce dotados de bolsas de gás que serviam como uma espécie de pulmão primitivo, já que complementavam a respiração branquial e permitiam resistir às estações secas. Ainda existem peixes que permaneceram com esse mecanimo de respiração primitiva até os dias de hoje. Outro grupo de peixes migrou para o mar e a bolsa pulmonar evoluiu para a bexiga natatória, originando osteichthyes e posteriormente, alguns osteichthyes marinhos migraram do mar para à água doce, originando os peixes dulcíolas, ou seja, com bexiga natatória.
Os paleontólogos acreditam que tanto os peixes cartilaginosos quanto os ósseos, surgiram basicamente na mesma época do período paleozoico, sendo que os peixes cartilaginosos surgiram no mar e os peixes