El estudio de los fósiles pone de manifiesto que los peces de aletas carnosas o lobuladas primitivos (sarcopterigios) fueron los antecesores de los anfibios.
De un grupo de estos primitivos peces derivaron los primeros tetrápodos, animales que aún conservaban agallas y escamas de pez pero que, en lugar de aletas, presentaban patas anchas y aplanadas con muchos dedos, como es el caso de los ocho y siete en las especies de los géneros Acanthostega e Ichthyostega respectivamente (ambos considerados como fósiles transicionales entre los primeros tetrápodos y los anfibios ). Los cambios y las adaptaciones a la vida terrestre se siguieron suscitando, entre los cuales se pueden nombrar la evolución de una lengua viscosa y protácil (empleada primordialmente en la captura de las presas), el desarrollo de glándulas cutáneas secretoras de veneno (como método de defensa), párpados móviles y glándulas para la limpieza, protección y lubricación de los ojos; entre otras.
Los primeros anfibios (en sentido amplio) aparecieron a finales del período Devónico (en la Era Paleozoica), hace aproximadamente 350 millones de años. Los anfibios primitivos de los que se dispone un conocimiento más amplio son los llamados temnospóndilos, los cuales representan uno de los grupos más importantes de tetrápodos. Presentaron muy variadas formas a lo largo de su historia evolutiva, prosperando desde el período Carbonífero hasta principios del Pérmico y extendiendo su linaje hasta comienzos del Cretácico. Algunos alcanzaron tallas que sobrepasaban los 4 metros de longitud, como es el caso de los géneros Paracyclotosaurus y Cyclotosaurus.
Los registros fósiles más antiguos de anfibios modernos (Lissamphibia) corresponden al Triásico Inferior , siendo aún incierto el origen del grupo. Las discusiones actuales se centran en tres hipótesis: Un origen monofilético a partir de los temnospóndilos o de los lepospóndilos o bien un origen polifilético (en este caso difilético), con los caudados y anuros derivando de los temnospóndilos, mientras que los gimnofiones formarían parte de los lepospóndilos.
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