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海洋哺乳动物是由129种物种组成的一个多样的群体，它们并不代表一个有效的生物分类单元。对海洋环境生存的依赖程度因物种而异，例如，海豚和鲸鱼在其生命的各个阶段都完全依赖海洋环境；海豹在海洋中觅食，但在陆地上繁殖；北极熊必须在陆地上觅食。 鲸类大约在5000万年前向水生动物演化，到了距今4000万年前已经完全变成水生动物。鲸鱼和海豚最接近的陆地亲属被认为是河马。 海牛目大约在4000万年前成为水生动物，在化石记录中，海牛的第一次出现是在始新世早期，到始新世晚期，海牛的多样性显著增加。最原始的海牛目是在牙买加的始新世中期地层发现的，最早的儒艮科化石在距今约3500万年前的始新世晚期也被找到。 鳍足类在大约在5000万年前从食肉目动物中分裂出来。海象与海狮的分离大概是在2800万年前，海豹与海狮的分化更晚一些，可能要到2000万年前。 化石证据表明，海獭最初在北海道北部和俄罗斯进化，然后向东扩散到阿留申群岛、阿拉斯加和北美海岸。与鲸类、海牛类和鳍足类等入海更早的老前辈相比，海獭是入海时间较短的一类，大约在200万年前。 北极熊被认为与在更新世的冰河时代与棕熊分离的，已知最古老的北极熊化石是13万至11万年前。