Los mamíferos se fosilizan con relativa facilidad, gracias a que sus esqueletos son generalmente robustos y resisten bien los rigores del proceso de fosilización. Los dientes y las mandíbulas, particularmente, se encuentran con frecuencia perfectamente conservados, lo que es una gran suerte, ya que la estructura exacta de la dentadura de cualquier mamífero nos dice mucho sobre su evolución. Consecuentemente, la historia de los mamíferos es mejor conocida que la de cualquier otro grupo de organismos de tamaño comparable.
Hace 300 millones de años la Tierra estaba poblada por anfibios y reptiles primitivos que vivían en los grandes pantanos tropicales y sus alrededores. Entre los fósiles de reptiles se han encontrado algunos ejemplares, algo mayores a los demás, con u para de orificios a modo de ventanas en la parte posterior de sus cranes óseos. Estas ventanas se encuentran todavía aunque algo modificadas en los mamíferos, lo que indica que estos fueron los primeros "reptiles parecido a mamíferos" o sinápsidos. La importancia de este grupo se debe a que comprende a los animales a partir de los cuales evolucionaron los mamíferos.
Sin embargo los primero miembros del grupo no eran muy parecidos a los mamíferos, ya que todavía poseían dentadura simple con maxilares débiles y miembros bastante abiertos y torpes; con seguridad no poseían sangre caliente.
Un ejemplo bien conocido de los primeros sinápsidos primitivos es el Dimetrodon , reptil con aleta dorsal que vivió en un amplia área de la que hoy es América del Norte.
Dimetrodon
A su debido tiempo, otro tipo de reptiles mas avanzados, llamados terápsidos, parecidos a los mamíferos, evolucionaron de ancestros parecidos al Dimetrodon. Los terápsidos desarrollaron músculos para cerrar la mandíbula mucho mas potentes, que podían utilizar con una variedad de denticiones ,mucho mas elaboradas, tales como caninos de tamaño muy superior o incluso cuernos de material córneo. También poseían miembros mas esbeltos y largos, que les permitían correr con mayor rapidez y agilidad para perseguir a sus presas o escapar de los depredadores. Probablemente, los terápsidos tenían la sangre mas caliente y un cerebro de mayor tamaño, aunque estos es mas difícil de saber a partir de los fósiles.
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