“脊椎动物的崛起”展厅位于国家自然博物馆一层中央展厅，改陈升级前为“古爬行动物”厅。“脊椎动物的崛起”展厅总展品数量达197件。共七个主题单元，依次为海洋中来、征服陆地、重返海洋、龙行大陆、飞龙在天、展翅翱翔和哺乳初现。七个单元的设计紧扣脊椎动物演化的时间线，每个单元都详尽地介绍了脊椎动物主要门类的演化历程和关键的演化节点。

“海洋中来”单元阐释最早起源于海洋的脊椎动物，其中展示了已知最早的脊椎动物之一——海口鱼，以及泥盆纪海洋中的霸主邓氏鱼。最早登陆的鱼石螈，被魏格纳作为大陆漂移证据的中龙，出现在“征服陆地”单元中。在“重返海洋”单元，讲述爬行动物重返海洋的演化奇迹，除了众多精美的标本模型，最值得关注的是一具沧龙头骨化石，沧龙在当时是体长可达15米的海洋凶残猎手。长达26米马门溪龙则是“龙行大陆”单元中“复出”的明星展品，位于整个展厅中的中心恐龙池中。“飞龙在天”单元展示了翼龙的演化，在这里可以见到著名的翼龙演化发展的中间环节——达尔文翼龙标本。“展翅翱翔”单元介绍演化史上“从龙到鸟”的重要过程，除了原始热河鸟的化石标本，还同时陈列了一件具有羽毛的复原模型，可以看到这种原始鸟类长着骨质长尾。“哺乳初现”讲述的是哺乳动物的祖先类群以及爬行动物向哺乳动物演化的过渡类群，如二叠纪拥有双犬齿的食肉动物狼鳄兽，它的化石标本是首次展出。

此次升级引入了裸眼3D展项，侏罗纪晚期上游永川龙与多棘沱江龙的打斗场景、白垩纪晚期霸王龙与三角龙的打斗场景滚动播放。

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