Các loài cá voi ngày nay được chia thành hai loại là cá voi tấm sừng hàm và cá voi có răng. Nhưng dù được phân chia như thế nào đi chăng nữa thì lỗ mũi của chúng đều nằm trên đỉnh đầu chứ không phải là phần cuối phía trước của đầu.
Chúng ta đều biết tổ tiên của cá voi là động vật có vú nhỏ sống trên cạn, sau khi bắt đầu chuyển sang sinh sống dưới đại dương, chúng đã trải qua hơn 50 triệu năm tiến hóa và cuối cùng trở thành họ động vật biển có vú đa dạng và phổ biến nhất hiện nay. Phân bộ cá voi không chỉ có cá voi xanh khổng lồ, cá nhà táng, cá voi đầu cong, mà còn có nhiều loài cá heo khác nhau.
Các loài trong phân bộ cá voi còn tồn tại trên Trái Đất ngày nay.
"Cá voi" Pakicetus là một trong những loài cá voi cổ đại được biết đến sớm nhất, loài động vật này sống cách đây 50 triệu năm trông giống như một con chó với các chi và lông dài. Nếu quan sát kỹ cá voi Pakicetus, bạn sẽ thấy rằng mũi của nó nằm ở phía trước đầu, giống như các loài động vật có vú ngày nay. Chính vì lỗ mũi của cá voi Pakicetus nằm ở phía trước miệng nên khi bơi chúng sẽ có vẻ ngoài giống như cách mà loài chó ngày nay bởi dưới nước, chúng phải hầu như phải ngẩng đầu lên khỏi mặt nước khi bơi
Pakicetus là một chi động vật đã tuyệt chủng thuộc bộ Cá voi (Cetacea), tìm thấy trong các lớp đá thuộc Tiền Eocen ở Pakistan. Các địa tầng nơi các hóa thạch được tìm thấy khi đó là một phần của vùng duyên hải biển Tethys.
.Khi các loài cá voi cổ đại dần tiến vào đại dương, cấu trúc cơ thể của chúng bắt đầu phát triển theo hướng thích nghi với đời sống thủy sinh, bao gồm vị trí của cổ, lỗ mũi dần di chuyển lên đỉnh đầu, bên dưới là hình ảnh của loài cá voi nguyên thủy (Protocetus) và hình ảnh phục chế của cá voi Basilosaurus, những bức ảnh này đều cho thấy lỗ mũi của chúng đang dần hướng lên trên.
Protocetus là một trong những chi cá voi cổ đại nhất, từng sống vào giữa thế Thủy Tân cách đây 45 triệu năm ở khu vực gần thủ đô Cairo, Ai Cập. Đây là một trong những chi cá voi đầu tiên đã thích nghi hoàn toàn với môi trường sống dưới nước. Chúng khá nhỏ, chỉ dài tầm 2.5 m, trên cơ thể vẫn còn giữ cả dấu vết của tứ chi có các ngón nối với nhau bằng màng bơi với chi sau nhỏ hơn chi trước. Hàm dài, có răng nhọn. Cấu tạo các răng phía trước hàm thì dùng để bắt mồi còn các răng phía sau thì dùng để cắt thịt. Không giống như loài Pakicetus tiền thân cổ hơn có lối sống bán thủy sinh, thì Protocetus đã có thể phát triển ống tai và nghe được âm thanh dưới mặt nước (nhưng chưa rõ chúng đã phát triển khả năng định vị bằng tiếng sóng âm hay chưa) và đã phát triển đuôi dạng dẹp như các loài cá voi ngày nay. Lỗ mũi chúng vẫn còn nằm trên phần đầu, chúng vẫn chưa có lỗ thở trên đỉnh đầu và dựa vào thị lực nhiều hơn để kiếm mồi.
Basilosaurus là một trong những loài cá voi nguyên thuỷ tiến hoá từ loài thú trên cạn và sau này phát triển thành cá voi hiện đại ngày nay. Basilosaurus trung bình dài khoảng 18 - 20 m và nặng khoảng 15 tấn, từng phân bố ở Bắc Mỹ, Bắc Phi và Trung Á và đc coi là loài động vật to lớn nhất từng sống trong thời đại của mình.
Các loài cá voi cổ đại kể trên đều thuộc phân bộ cá voi cổ đại, các phân bộ cá voi tấm sừng và cá voi có răng ở đại dương ngày nay đều được tiến hóa từ phân bộ cá voi cổ đại. Chúng xuất hiện vào giữa kỷ Oligocen, cách đây khoảng 30 triệu năm. So với các loài cá voi ngày nay, vẻ ngoài của chúng khá giống với các loài cá voi cổ đại, thể nhưng quá trình tiến hóa để thay đổi vị trí lỗ mũi lại mất khá nhiều thời gian - khoảng 20 triệu năm.
Sơ đồ quá trình tiến hóa của cá voi cổ đại.
Sơ đồ quá trình tiến hóa của các loài cá voi hiện đại.
Các loài cá voi hiện đại đã tiến hóa để di chuyển lỗ mũi từ phía trước miệng lên đỉnh đầu. Đó không chỉ là sự thay đổi vị trí. Thực quản và khí quản của động vật có vú trên cạn ngày nay được kết nối với nhau, vì vậy nếu mũi của chúng ta bị tắc do cảm lạnh, chúng ta vẫn có thể sử dụng miệng để thở thay vì lỗ mũi. Ngoài thở, mũi của chúng ta còn có chức năng ngửi.
Thế nhưng các loài cá voi hiện đại lại khác, những thay đổi về vị trí của lỗ mũi và những thay đổi mà chúng thực hiện để thích nghi với đời sống thủy sinh đã khiến cho khí quản và thực quản đã bị tách rời. Lỗ mũi nối với phổi và thực quản nối với hệ tiêu hóa, vì vậy mũi của chúng chỉ dùng để thở chứ không được dùng để ngửi.
Lỗ mũi của các loài cá voi hiện đại nằm ở đỉnh đầu thực sự giúp cho chúng sinh tồn hiệu quả hơn và an toàn hơn so với các lỗ ở phía trước miệng khi ở dưới đại dương. Thế nhưng ngay cả khi lỗ mũi nằm ở đỉnh đầu, khi chúng lặn xuống đại dương, lỗi mũi của chúng vẫn nằm dưới nước, làm thế nào mà các loài cá voi hiện đại có thể đảm bảo rằng chúng sẽ không bị nghẹt thở? Trên thực tế, dưới lỗ mũi của các loài cá voi có một nhóm cơ rất khỏe, chúng có thể đóng hoàn toàn lỗ mũi khi lặn, tránh nguy cơ bị sặc nước. Việc tách thực quản và khí quản cũng đảm bảo rằng các loài cá voi hiện đại sẽ không bị sặc nước khi săn mồi ở đại dương.
Lỗ mũi lớn của cá voi tấm sừng hàm.
Lỗ mũi của cá voi xanh khi lặn xuống nước.
Trên thực tế, tất cả các loài cá voi tấm sừng hàm vẫn có hai lỗ mũi, trong khi những loài cá voi có răng chỉ còn lại một lỗ mũi. Các tia nước mà các loài cá voi phun ra khỏi mặt nước không phải là nước trong mũi của chúng, mà là sự tích tụ của nước còn lại trong các "hố" của lỗ mũi, được hình thành dưới tác động của áp suất dưới đại dương. Điều này khiến cho nước không bị chảy vào lỗ mũi, cải thiện sự an toàn và hiệu quả của việc thở. Tuy nhiên, cột nước do quá trình hô hấp của cá voi từng mang đến cho chúng những mối nguy hiểm lớn.Trong thời đại săn bắt cá voi, các thủy thủ thường dựa vào những cột nước này để xác định vị trí của đàn cá voi.
Cá voi sát thủ thuộc phân loài cá voi có răng chỉ có một lỗ mũi.
Cá voi xám thuộc phân loài cá voi tấm sừng hàm phun nước bằng một cặp lỗ mũi.