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猫科动物的祖先比今天的猫科动物更加多样化。大型猫科动物先分化出来形成独特的类群，随后小型猫科动物开始扩张并迅速蔓延。家猫是最后加入族谱中的。包括猫科动物在内的食肉动物(或称食肉哺乳动物)的祖先被称为白垩兽类。它们以昆虫为食，被认为与现代树駒相似，生活在万年前的白垩纪晚期。它们已经初步进化出像剪刀一般具备咬切能力的牙齿，这对于咬碎猎物的肉和骨头非常重要，它们也因此从吃昆虫的动物进化到了食肉动物。在这种小型动物的基础上，进化出了两类食肉哺乳动物:肉齿类哺乳动物和小古猫，现在均已灭绝。肉齿类哺乳动物最先出现，它们是最早的食肉动物，与后来出现的食肉动物在生态位中具有同等地位。后来，小古猫登堂入室，并在这个类群的基础上，诞生了“真正的”食肉动物，最后猫诞生了。古老的祖先小古猫是哺乳动物，生活在始新世(万年前~万年前)。有些品种很小，像鼬一样，主要营树居生活。而另外一些则像猫或狗一样，大部分时间生活在地面。大约万年前，小古猫进化成最早的真正的”食肉动物，并分化为两个类群。.类是旧大陆细齿兽，进化成猎猫科动物(或伪剑齿虎，见上)和类猫食肉动物(包括土狼、灵猫和猿)。另外一类是新大陆细齿兽，它们最终进化为类狗食肉动物，包括狼和熊。最早的真正的猫科动物现代猫科动物的祖先之一被认为是食肉的，被称为原小熊猫(意为猫的前身)的哺乳动物，于万年前~万年前的渐新世时期出现于现在的欧亚大陆。对于原小熊猫我们知之甚少，但是化石显示它们不比家猫大多少。它们长有短短的四肢、长长的躯干和尾巴，爪子至少有一部分是可至以伸缩的。它们可能是攀爬高手，而且会在树林里偷偷靠近猎物。大约万年前，原小熊猫或其他类似于原小熊猫的物种衍生了假猫(伪猫),这种猎食动物被认为是最早的真正猫类。相比前辈，假猫更多生活在陆地。假猫有长长的、灵活的背部，其后肢长于前肢。这种早期猫科动物非常重要，原因有二:首先，它们进化出了三个类群的猫科动物，包括两个现代类群豹亚科(大型猫科动物)和猫亚科(小型猫科动物)，猫亚科包含小型野生猫科动物和家猫一-还包括现今已经灭绝的剑齿虎(剑齿虎亚科);其一，那时，假猫是穿越连接阿拉斯加和西伯利亚的白令陆桥迁徙到现今的北美洲所在地的最早的猫科动物。在万年前~.2万年前，尾随渐新世而来的中新世的气候温暖而干燥，环境的变化适宜假猫繁衍后代。森林生态系统的退化，以及草地等更多开阔栖息地的增加，使得有蹄类哺乳动物更加多样化，当然以捕猎为食的猫科动物的多样性也得到了极大的发展。剑齿虎在白垩纪晚期，从原始猫科动物的祖先白垩兽类开始，长有锐利犬齿的食肉动物开始在三个不同的场合进化为三种不同的食肉动物类群。最早的是原始肉齿类哺乳动物，随后是猎猫科动物，最后是剑齿虎。但是这三种并不被认为是现在猫科动物的直接祖先。剑齿虎出现于中新世早期，_.直生活到大约1.1万年前，这意味着它们可能为早期人类所了解。它们上颌长有突出的、向后弯曲的犬齿，犬齿非常长一长达15厘米-当嘴巴闭合时，犬齿露出嘴外，搭在下颌外侧。为了更有效地使用这些牙齿，剑齿虎长有血盆大口嘴巴可以张大到度。巨大的“军刀”般的犬齿相比其他牙齿可以更轻松地砍切，而且牙齿的边缘呈锯齿状，可用于切割坚硬的兽皮及咬断大块的肉。没有人知道为什么剑齿虎会灭绝。有些科学家认为，猎物的减少是导致它们灭绝的原因，而一些证据表明并非如此。另外一些人认为，其灭绝原因是它们无法与新进化的且与它们生活在同时期的豹亚科动物和猎豹抗衡竞争。当然新进化的猫科动物更加敏捷迅猛，而且它们的牙齿不容易折断。开枝散叶在食肉动物中，猫科动物是最娴熟的杀手，从解剖学看来，它们进化得特别适宜猎杀。某些物种甚至能够猎杀比自己大得多的猎物。大型猫科动物，即豹亚科动物一庞大、醒目、速度快、凶猛出现于万年前。后面出现的是小型猫科动物，即猫亚科的婆罗洲金猫类群，于万年前出现在非洲，随后出现的是狞猫类群，大约在万年前出现在非洲。虎猫类群大约万年前出现，巴拿马陆桥形成之后，它们可以跨境进入南美洲。这条大路让来自北美洲和中美洲(现今只能从化石中得知)的小型猫科动物得以迁徙并繁衍。南美洲现存的10种猫科动物中的9种属于虎猫类群，它们十分特别，拥有36条(18对)染色体，而普通猫科动物则有38条染色体。猞猁类群和美洲狮类群于万年前和万年前分别进化形成，在不同的大陆演化出了不同的品种，它们各有不同的迁徙路线。这些猫科动物包括猎豹一起源于北美洲的美洲狮世系，随后进入亚洲和非洲，生存至今。豹猫类群和家猫类群则是最后加入猫科动物的种类，它们仅存在于欧亚大陆。最早的现代猫科动物被认为是卢那猫，出现于万年前的上新世时期。它们后来衍生出了野猫，其中的欧洲品种是最古老的，可以追溯到25万年前。它们四处迁徙，寻找合适的环境和猎物以维持生计。非洲野猫在2万年前才独立出现，0年前衍生出了家猫。

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