Thú mỏ vịt
Tiến hoá

Hiện người ta mới chỉ biết được rất ít thông tin về thú mỏ vịt và các loài khác thuộc bộ đơn huyệt. Nhiều người vẫn tin vào một số thần thoại lan truyền từ thế kỷ XIX, ví dụ như việc động vật đơn huyệt là các loài "hạ cấp" hoặc bán bò sát. Năm 1947, William King Gregory giả thuyết rằng động vật có vú có nhau thai và thú có túi có thể đã phân hướng sớm hơn, và một nhánh con đã chia thành bộ Đơn huyệt và phân thứ lớp Thú có túi; sau này, các nghiên cứu và khảo cứu hoá thạch cho thấy thuyết trên không chính xác. Trên thực tế, bộ Đơn huyệt hiện đại là những loài sống sót sau cùng của một nhánh phân hướng khỏi động vật có vú từ rất xưa, còn các phân thứ lớp Thú có nhau thai và Thú có túi thì bắt nguồn từ một nhánh cận đại hơn. Theo đồng hồ phân tử và niên đại hoá thạch, thú mỏ vịt đã tách ra khỏi họ Thú lông nhím khoảng 19 đến 48 triệu năm trước.
Mẫu hoá thạch thú mỏ vịt hiện đại cổ xưa nhất có niên đại khoảng 100.000 năm, vào kỷ Đệ Tứ. Hai loài đơn huyệt đã tuyệt chủng Teinolophos và Steropodon từng được cho là có liên quan mật thiết với thú mỏ vịt hiện đại, nhưng hiện nay, chúng nằm ở vị trí phân loại cao hơn. Hoá thạch Steropodon người ta phát hiện được ở New South Wales có một xương hàm dưới bị khoáng chất hoá và ba chiếc răng hàm tạo bởi một xương hàm dưới có mắt với ba chiếc răng hàm (thú mỏ vịt hiện đại không có răng). Ban đầu, người ta nghĩ rằng những chiếc răng hàm này có ba đỉnh; ý niệm này củng cố cho một thuyết biến thể từ giả thuyết nguyên bản của Gregory. Tuy nhiên, các nghiên cứu sau này đã cho thấy rằng: dù những chiếc răng này có ba đỉnh, nhưng chúng lại tiến hoá theo một quá trình riêng biệt. Mẫu hoá thạch được cho là có niên đại khoảng 110 triệu năm tuổi; đây cũng là mẫu hoá thạch động vật có vú lâu đời nhất từng được phát hiện ở Úc. Khác với thú mỏ vịt hiện đại (và các loài thú lông nhím), Teinolophos không có mỏ.
Người ta cũng tìm thấy mẫu hoá thạch của Monotrematum sudamericanum, một họ hàng khác của thú mỏ vịt, ở Argentina; điều này cho thấy các loài đơn huyệt đã sống ở siêu lục địa Gondwana, vào thời kỳ hai lục địa Nam Mỹ và Úc còn liền nhau thông qua Nam Cực (hơn 167 triệu năm trước). Hoá thạch một chiếc răng của loài thú mỏ vịt khổng lồ, Obdurodon tharalkooschild, có niên đại từ 5 đến 15 triệu năm trước; dựa trên kích thước mẫu răng, các nhà khoa học ước tính con vật dài đến 1,3 mét, là con thú mỏ vịt lớn nhất từng được ghi nhận.
Do phân hướng sớm với phân lớp Thú bậc cao và số ít các loài đơn huyệt khác còn tồn tại, thú mỏ vịt là đối tượng nghiên cứu thường xuyên của ngành sinh học tiến hoá. Năm 2004, các nhà nghiên cứu của Đại học Quốc gia Úc đã phát hiện ra thú mỏ vịt có đến mười nhiễm sắc thể giới tính, nhiều hơn hẳn so với hai (XY) ở đại đa số các loài động vật có vú khác. Mười nhiễm sắc thể này tạo thành năm cặp XY và XX duy nhất lần lượt ở cá thể đực và cái. Cụ thể, trình tự nhiễm sắc thể ở con đực là X1Y1X2Y2X3Y3X4Y4X5Y5. Một trong số các nhiễm sắc thể X của thú mỏ vịt có sự tương đồng rất lớn với nhiễm sắc thể Z ở chim. Hệ gen của thú mỏ vịt cũng có các gen liên quan đến quá trình trứng thụ tinh của cả bò sát và động vật có vú. Dù thú mỏ vịt không có gen xác định giới tính SRY của động vật có vú, một nghiên cứu đã cho thấy cơ chế xác định giới tính ở con non là gen AMH trên nhiễm sắc thể Y lâu đời nhất. Ngày 8 tháng 5 năm 2008, tạp chí Nature công bố một bản phác thảo trình tự gen của thú mỏ vịt, cho thấy chúng có nhiều tính chất tương đồng với cả bò sát và thú có vú, cũng như hai loại gen khác mà trước đó người ta chỉ thấy ở cá, chim và động vật lưỡng cư. Hơn 80% mã gen của thú mỏ vịt giống với gen của các loài có vú khác đã được giải mã. Năm 2021, một hệ gen mới và đầy đủ nhất từ trước đến nay của thú mỏ vịt đã được công bố (cùng với loài thú lông nhím mỏ ngắn).