19世紀下半葉曾有學者將其隸屬於脊索動物門中的一個亞門,其理由是半索動物的3個結構:
①口索,相當於脊索動物的脊索;
②咽部有鰓裂;
③有空腔的背神經索,相當於脊索動物的背神經管。
這3個結構與脊索動物的主要特徵基本相符。
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但許多學者不同意這個觀點。近年來的組織學與胚胎學研究發現柱頭蟲的口索並不是脊索,與脊索不同源也不同功,很可能是一種內分泌器官。
此外,半索動物具有許多非脊索動物的特點,如實心的腹神經索、開放式血液循環系統、肛門位於身體末端等。就目前的研究資料來看,更多的人認為半索動物應歸入無脊椎動物並作為一個單獨的門半索動物門。它們與棘皮動物親緣關係較近,兩者可能是由自由生活的共同的祖先分支進化而來。其根據是:
(1)半索動物和棘皮動物均是後口動物。
(2)半索動物和棘皮動物的中胚層都是由原腸以腸腔法形成。
(3)柱頭幼蟲與棘皮動物的短腕幼蟲形態結構極為相似。
(4)脊索動物肌肉中含有肌酸化合物,非脊索動物肌肉中含有精氨酸化合物。棘皮動物和柱頭蟲的肌肉中都同時含有肌酸和精氨酸。
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上述理由說明半索動物與棘皮動物有著共同的起源,但半索動物又有相似於脊索動物的特徵。由此可見半索動物與棘皮動物、脊索動物均有某種親緣關係,是重要的過渡類型,在進化生物學上佔據十分重要的地位。