Động vật lưỡng cư
Tiến hóa

Xem thêm: Danh sách các chi động vật lưỡng cư tiền sử
, một chi cá vây thùy hoàn toàn sống thủy sinh

 , một chi cá dạng bốn chân cấp cao
Nhóm chính động vật lưỡng cư đầu tiên đã phát triển vào kỷ Devon, cách nay khoảng 370 triệu năm, từ Sarcopterygii tương tự như cá vây tay và cá phổi hiện đại, chúng đã tiến hóa các vây thùy giống chân nhiều đốt với các ngón cho phép chúng lê dọc theo đáy biển. Một vài loài cá đã phát triển phổi nguyên thủy giúp chúng hít thởi không khí trong các hồ tù đọng của đầm lầy kỷ Devon có oxy thấp. Chúng cũng có thể sử dụng các vây thùy mạnh mẽ của chúng để đưa cơ thể chúng lên khỏi mặt nước và "đi" trên đất khô trong trường hợp cần thiết. Cuối cùng vây xương của chúng có thể đã tiến hóa thành các chi và chúng có thể trở thành tổ tiên của tất cả các loài động vật bốn chân, bao gồm lưỡng cư hiện đại, bò sát, chim, và thú. Thay vì có thể trườn trên đất, nhiều loài cá dạng bốn chân tiền sử này vẫn mất nhiều thời gian của chúng sống dưới nước. Chúng đã bắt đầu phát triển phổi, nhưng vẫn thở qua mang là chủ yếu.
Ichthyostega là một trong những nhóm lưỡng cư nguyên thủy đầu tiên có hai lỗ mũi và phổi hoạt động hiệu quả. Nó có 4 chi, cổ, một đuôi có vây và hộp sọ rất giống với nhóm cá vây thùy Eusthenopteron. Động vật lưỡng cư tiến hóa thích nghi với môi trường cho phép chúng rời khỏi môi trường nước trong thời gian dài. Phổi của chúng được cải tiến và khung xương của chúng trở nên nặng và chắc hơn, có khả năng chịu đựng cùng với sự gia tăng trọng lượng khi chúng sống trên đất liền. Chúng đã phát triển "tay" và "chân" với 4 hoặc 5 ngón; da của chúng biến đổi để có thể duy trì các chất dịch và chống khô. Xương hyomandibula của cá ở vùng xương móng nằm phía sau mang đã giảm bớt về kích thước và trở thành bệ đỡ cho tai động vật lưỡng cư, một đặc điểm thích nghi cần thiết cho các động vật sống trên cạn. Mối quan hệ giữa động vật lưỡng cư và cá teleost là cấu trúc đa nếp gấp của răng và các cặp xương chẩm ở phía sau đầu, ngoài ra, các đặc điểm này không thể tìm thấy bất kỳ nơi đâu trong giới động vật.
Vào cuối kỷ Devon (cách nay 360 triệu năm), biển, sông và hồ được lấp đầy các sinh vật trong khi đất liền chủ yếu là các thực vật thời kỳ đầu mà không có động vật có xương sống, mặc dù một số nhóm như Ichthyostega, có thể thỉnh thoảng chúng cũng ra khỏi môi trường nước. Người ta cho rằng chúng có thể đã trườn bằng 2 chi trước, để kéo phần sau của chúng tương tự như cách mà voi biển làm. Vào đầu kỷ Cacbon (cách nay 360 đến 345 triệu năm), khí hậu trở nên ướt và nóng. Các đầm lầy mở rộng với sự phát triển của rêu, dương xỉ, horsetail và calamites. Các động vật chân khớp thở bằng không khí đã tiến hóa và xâm chiếm đất liền, trên đất liền chúng là nguồn cung cấp thức ăn cho các động vật lưỡng cư ăn thịt và bắt đầu cho sự thích nghi môi trường trên cạn. Không có động vật bốn chân nào khác trên đất liền và các động vật lưỡng cư nằm trên mắc xích cao nhất của chuỗi thức ăn, nằm ở vị trí sinh thái hiện tại của cá sấu. Mặc dù đã có các chi và khả năng hít thở không khí, hầu hết chúng vẫn có cơ thể thon dài và đuôi khỏe. Chúng là các loài săn mồi hàng đầu trên đất liền, đôi khi chiều dài chúng đạt đến vài mét, chúng săn các côn trùng lớn của thời kỳ này và một số loài cá trong nước. Chúng vẫn cần phải trở lại môi trường nước để đẻ trứng không vỏ, và thậm chí các loài lưỡng cư hiện đại nhất có giai đoạn ấu trùng hoàn toàn trong môi trường nước với mang giống như tổ tiên cá của chúng. Sự phát triển trứng có màng ối, là màng chống khô, cho phép bò sát sinh sản trên cạn và cho phép chúng thống trị hệ sinh thái trong giai đoạn sau đó.
Trong suốt kỷ Trias (cách nay 250 đến 200 triệu năm), bò sát đã bắt đầu cạnh tranh với động vật lưỡng cư, làm cho sự sụt giảm về kích thước và độ quan trọng của động vật lưỡng cư trong sinh quyển. Theo dữ liệu hóa thạch, Lissamphibia, là nhóm bao gồm tất cả các động vật lưỡng cư hiện đại và là nhánh duy nhất còn sinh tồn, có thể đã rẽ nhánh từ các nhóm đã tuyệt chủng là Temnospondyli và Lepospondyli vào một thời điểm giữa Cacbon muộn và Trias sớm. Sự tương đối hiếm các bằng chứng hóa thạch gây khó khăn trong việc xác định chính xác thời điểm rẽ nhánh, nhưng nghiên cứu phân tử gần đây nhất dựa trên multilocus sequence typing, đề xuất rằng động vật lưỡng cư xuất hiện từ Cacbon muộn/Pecmi sớm.
Mối quan hệ giữa nguồn gốc và tiến hóa giữa 3 nhóm chính của động vật lưỡng cư là vấn đề vẫn còn tranh cãi. Một nghiên cứu phát sinh loài phân tử năm 2005 dựa trên việc phân tích rDNA đề nghị rằng kỳ giông và ếch giun có quan hệ gần hơn so với các loài trong bộ không đuôi. Nó cũng cho thấy rằng sự phân nhánh của 3 nhóm này đã diễn ra trong Đại Cổ sinh (Paleozoi) hoặc đầu Đại Trung sinh (Mesozoi) (cách nay khoảng 250 triệu năm), trước khi siêu lục địa Pangaea tan rã và ngay sau khi sự phân nhánh của chính từ các vây thùy. Sự diễn ra ngắn trong giai đoạn này, và sự phân nhánh nhanh chóng có thể làm cho sự khan hiếm tương đối của các hóa thạch lưỡng cư nguyên thủy. Có một khoảng trống lớn về hóa thạch nhưng sự phát hiện ra ếch nguyên thủy vào Permi sớm ở Texas năm 2008 đã cung cấp một liên kết bị mất đi với những đặc điểm của ếch hiện đại. Phân tích phân tử đề nghị rằng sự phân nhánh ếch-kỳ giông đã diễn ra sớm hơn so với các bằng chứng cổ sinh vật.
Do chúng tiến hóa từ cá phổi, động vật lưỡng cư phải thích nghi với việc sống trên cạn bao gồm cả việc phát triển các công cụ cần thiết cho việc di chuyển mới. Trong nước, việc chuyển động của đuôi theo phương ngang giúp chúng tiến về phía trước, nhưng trên cạn cơ chế khác biệt. Cột sống, các chi, gen chân tay và cơ bắp phải cần đủ khỏe để nâng chúng lên khỏi mặt đất để vận động và ăn. Con trưởng thành trên cạn bắt đầu thoái hóa hệ thống đường biên của chúng và thích nghi hệ cảm giác của chúng để nhận được kích thích qua môi trường không khí. Chúng cần phát triển những phương pháp mới để điều chỉnh thân nhiệt để đối phó với sự dao động nhiệt độ môi trường xung quanh. Chúng đã phát triển các thói quen thích hợp với sinh sản trong môi trường trên cạn. Da của chúng tiếp xúc với các tia cực tím mà trước kia các tia này bị hấp thụ] trong môi trường nước. Do vậy, da đã bị thay đổi để có thể bảo vệ tốt hơn và chống sự mất nước quá nhiều.