Le thème de base de l'évolution des baleines est le développement de grands animaux d'ancêtres beaucoup plus petits - et cela n'est nulle part plus évident que dans le cas du sperme de plusieurs tonnes et des baleines grises, dont les ancêtres ultimes étaient de petits mammifères préhistoriques de la taille d'un chien qui rôdaient les lits des fleuves d'Asie centrale il y a 50 millions d'années. Plus curieusement peut-être, les baleines sont également une étude de cas dans l'évolution progressive des mammifères de modes de vie entièrement terrestres à entièrement marins, avec des adaptations correspondantes (corps allongés, pieds palmés, trous de soufflage, etc.) à divers intervalles clés le long du chemin.
Jusqu'au tournant du 21e siècle, l'origine ultime des baleines était enveloppée de mystère, avec de rares restes d'espèces anciennes. Tout cela a changé avec la découverte d'un énorme trésor de fossiles en Asie centrale (en particulier, le pays du Pakistan), dont certains sont encore en cours d'analyse et de description. Ces fossiles, qui ne datent que de 15 à 20 millions d'années après la disparition des dinosaures il y a 65 millions d'années, prouvent que les ancêtres ultimes des baleines étaient étroitement liés aux artiodactyles, les mammifères à sabots égaux représentés aujourd'hui par les porcs et les moutons..
À bien des égards, Pakicetus (en grec pour «baleine du Pakistan») ne se distinguait pas des autres petits mammifères de l'époque de l'Éocène précoce: environ 50 livres environ, avec de longues pattes de chien, une longue queue et un museau étroit. Mais surtout, l'anatomie des oreilles internes de ce mammifère correspond étroitement à celle des baleines modernes, la principale caractéristique «diagnostique» qui place Pakicetus à l'origine de l'évolution des baleines. Un des parents les plus proches de Pakicetus était Indohyus ("cochon indien"), un ancien artiodactyle avec quelques adaptations marines intrigantes, comme une peau épaisse ressemblant à un hippopotame.
Ambulocetus, alias la «baleine qui marche», a prospéré quelques millions d'années après Pakicetus et présentait déjà certaines caractéristiques distinctes de baleines. Alors que Pakicetus menait un mode de vie principalement terrestre, plongeant parfois dans des lacs ou des rivières pour trouver de la nourriture, Ambulocetus possédait un corps long et mince, semblable à une loutre, avec des pieds palmés et rembourrés et un museau étroit ressemblant à un crocodile. Ambulocetus était beaucoup plus gros que Pakicetus - environ 10 pieds de long et 500 livres, beaucoup plus proche d'une baleine bleue qu'un guppy - et a probablement passé beaucoup de temps dans l'eau.
Nommé d'après la région du Pakistan où ses os ont été découverts, Rodhocetus montre des adaptations encore plus frappantes à un mode de vie aquatique. Cette baleine préhistorique était véritablement amphibie, rampant sur la terre ferme uniquement pour se nourrir et (éventuellement) accoucher. En termes d'évolution, cependant, la caractéristique la plus révélatrice de Rodhocetus était la structure de ses os de la hanche, qui n'étaient pas fusionnés à son épine dorsale et lui ont donc fourni une plus grande flexibilité lors de la natation..
Les restes de Rodhocetus et de ses prédécesseurs ont été trouvés principalement en Asie centrale, mais les plus grandes baleines préhistoriques de l'époque de l'Éocène supérieur (qui étaient capables de nager plus rapidement et plus loin) ont été découvertes dans des endroits plus divers. Le Protocetus trompeusement nommé (ce n'était pas vraiment la "première baleine") avait un long corps semblable à un phoque, des jambes puissantes pour se propulser dans l'eau et des narines qui avaient déjà commencé à migrer à mi-chemin sur le front - un développement préfigurant les trous des baleines modernes.
Protocetus partageait une caractéristique importante avec deux baleines préhistoriques à peu près contemporaines, Maiacetus et Zygorhiza. Les membres antérieurs de Zygorhiza étaient articulés aux coudes, un indice fort qu'il a rampé sur la terre pour donner naissance, et un spécimen de Maiacetus (signifiant "bonne mère baleine") a été trouvé avec un embryon fossilisé à l'intérieur, positionné dans le canal de naissance pour livraison terrestre. De toute évidence, les baleines préhistoriques de l'époque éocène avaient beaucoup en commun avec les tortues géantes modernes!
Il y a environ 35 millions d'années, certaines baleines préhistoriques avaient atteint des tailles gigantesques, plus grandes même que les rorquals bleus ou les cachalots modernes. Le plus grand genre encore connu est Basilosaurus, dont les os (découverts au milieu du 19e siècle) étaient autrefois considérés comme appartenant à un dinosaure - d'où son nom trompeur, qui signifie «lézard royal». Malgré sa taille de 100 tonnes, Basilosaurus possédait un cerveau relativement petit et n'utilisait pas d'écholocation lors de la natation. Encore plus important dans une perspective évolutive, Basilosaurus a mené un style de vie entièrement aquatique, accouchant ainsi que nageant et se nourrissant dans l'océan.
Les contemporains de Basilosaurus étaient beaucoup moins effrayants, peut-être parce qu'il n'y avait de place que pour un prédateur mammifère géant dans la chaîne alimentaire sous-marine. Dorudon était autrefois considéré comme un bébé Basilosaure; ce n'est que plus tard qu'il a réalisé que cette petite baleine (seulement environ 16 pieds de long et une demi-tonne) méritait son propre genre. Et le Aetiocetus beaucoup plus tardif (qui vivait il y a environ 25 millions d'années), bien qu'il ne pèse que quelques tonnes, montre la première adaptation primitive à l'alimentation du plancton - de petites plaques de fanons le long de ses dents ordinaires.
Aucune discussion sur les baleines préhistoriques ne serait complète sans la mention d'un genre assez nouveau, le bien nommé Léviathan, qui a été annoncé au monde à l'été 2010. Ce cachalot de 50 pieds ne pesait "que" environ 25 tonnes, mais il semble avoir chassé ses compagnons baleines ainsi que des poissons et des calmars préhistoriques, et il a peut-être été chassé à son tour par le plus grand requin préhistorique de tous les temps, le Megalodon de la taille d'un Basilosaurus.