Появлению плезиозавров на исходе триасового периода (около 205 млн лет назад) предшествовало несколько «эволюционных поколений» триасовых завроптеригий (Sauropterygia), или «плавниковых ящеров». Первыми из них, вероятно, были мелководные, но ходячие короткомордые и толстошеие плакодонты (Placodontiformes). Далее появились завросфаргиды (Saurosphargidae), все еще покрытые остеодермами, словно плакодонты; пахиплеврозавры (Pachypleorosauria), похожие на маленьких плезиозавриков с лапками; «подросшие» нотозавры (Nothosauroidea) и пистозавры (Pistosauria), у которых расширились кости конечностей и начали формироваться плечевой и тазовый «щиты». В этой череде лапы сухопутных животных все больше уподоблялись ластам (в них исчезали «лишние» суставы), удлинялась шея, увеличивались размеры и обтекаемость тела в целом, повышались темпы обмена веществ и, как следствие, ускорялось формирование костной ткани. Нотозавры еще росли с остановками, зафиксированными в отложениях пластинчатой костной ткани. Эта эволюционная линия в общих чертах предвосхитила историю китов, начавшуюся с полуводных растительноядных предков. Таким далеким предшественником завроптеригий мог быть раннетриасовый атоподентат (
Длина позднетриасового рэтикозавра (
Переход с суши на море отразился и в изменениях внутренних органов, например костных каналов лабиринта внутреннего уха. Размер и пространственная структура полукружных каналов напрямую зависят от образа жизни позвоночных. Если у древних прибрежных завроптеригий этот орган равновесия – с тонкими удлиненными полукружиями и их общей ножкой – не отличался от такового у наземных рептилий, то у плезиозавров он приобрел вздутую и как бы уплотненную форму. Такая его перестройка понадобилась для свободного перемещения в трехмерной среде. Очень похожий лабиринт сформировался у морских черепах, тоже «летающих» под водой, словно плезиозавры.
Водная среда, как всегда, потребовала изменений во всем, что связано с репродукцией. Эти ящеры тоже рожали живых детенышей, но вынашивали единовременно не более одного крупного плода (1,5 м размером при длине матери 4,7 м). Зародыш, судя по особенностям костной ткани, развивался не по дням, а по часам. Можно предположить, что, как и у других животных (в том числе людей), которые рожают больших и немногочисленных детенышей, у некоторых плезиозавров возникла забота о потомстве и общественное поведение. Пока, правда, так можно сказать лишь о весьма продвинутых поликотилидах. Впрочем, с учетом находок «многодетных» пахиплеврозавров и нотозавров с зародышами нельзя исключить, что все плезиозавры с самого своего появления были живородящими.
Далее нужно было почувствовать себя «своим» в открытом море. Важной особенностью «длинношеих» была пара передних нёбных отверстий (в дополнение к задним – хоанам), открывавшихся в ростральную полость черепа. Там могли находиться солевые железы, необходимые позвоночным, постоянно заглатывающим вместе с пищей морскую воду, для понижения внутреннего давления путем выведения избытка ионов натрия и хлора. Еще одной (пока не объясненной) чертой черепа являлись многочисленные продольные желобки, покрывавшие широкую предчелюстную кость. Они могли вмещать «чудесную сеть» – тонкие капилляры, в которых скорость кровотока сильно падает, благодаря чему газ диффундирует в окружающую жировую ткань, что предотвращает попадание азотных пузырьков в сосуды мозга. Так это работает, например, у кашалотов.
Иметь «чудесную сеть» было бы полезно и плезиозаврам, ведь далеко не все эволюционные достижения сулят исключительно преимущества. Скажем, пахиплеврозавры и нотозавры совсем не страдали от некрозов костной ткани, которые начали одолевать плезиозавров, отважившихся на глубокое погружение.