１、脊索（notochord）是背部起支持體軸作用的一條棒狀結構，介於消化道和神經管之間。脊索來源於胚胎期的原腸背壁，經加厚、分化、外突，最後脫離原腸而成脊索。脊索由富含液泡的脊索細胞組成，外面圍有脊索細胞所分泌而形成的結締組織性質的脊索鞘（notochordal sheath）。脊索鞘常包括內外兩層，分別為纖維組織鞘（fibrous sheath）和彈性組織鞘（elastic sheath）。充滿液泡的脊索細胞由於產生膨壓，使整條脊索既具彈性，又有硬度，從而起到骨骼的基本作用（下圖）。低等脊索動物中，脊索終生存在或僅見於幼體時期。高等脊索動物只在胚胎期間出現脊索，發育完全時即被分節的骨質脊柱（vertebral column）所取代。組成脊索或脊柱等內骨骼（endoskeleton）的細胞，都能隨同動物體發育而不斷生長。而無脊椎動物則缺乏脊索或脊柱等內骨骼，通常僅身體表面被有幾丁質等外骨骼（exoskeleton）。
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２、背神經管（dorsal tubular nervecord）脊索動物神經系統的中樞部分是一條位於脊索背方的神經管，由胚體背中部的外胚層下陷卷褶所形成。背神經管在高等種類中前、後分化為腦和脊髓。神經管腔（neurocoele）在腦內形成腦室（cerebral ventricle），在脊髓中成為中央管（centralcanal）。無脊椎動物神經系統的中樞部分為一條實性的腹神經索（ventral nerve cord），位於消化道的腹面。
３、咽鰓裂（pharyngeal gill slits）低等脊索動物在消化道前端的咽部兩側有一系列左右成對排列、數目不等的裂孔，直接開口於體表或以一個共同的開口間接地與外界相通，這些裂孔就是咽鰓裂。低等水棲脊索動物的鰓裂終生存在並附生著布滿血管的鰓，作為呼吸器官，陸棲高等脊索動物僅在胚胎期或幼體期（如兩棲綱的蝌蚪）具有鰓裂，隨同發育成長最終完全消失。無脊椎動物的鰓不位於咽部，用作呼吸的器官有軟體動物的櫛鰓以及節肢動物的肢鰓、尾鰓、氣管等。
４、脊索動物的心臟及主動脈位於消化道的腹面，循環系統為閉管式。無脊椎動物的心臟及主動脈在消化道的背面，循環系統大多為開管式。
５、極大多數脊索動物於肛門後方有肛後尾（post-anal tail）。無脊椎動物的肛孔常開口在軀幹部的末端。
在上述特徵中，具有脊索、背神經管和咽鰓裂是區別脊索動物和無脊椎動物最主要的３個基本特徵。此外，脊索動物還有一些性狀同樣也見於高等無脊椎動物的，例如三胚層、後口、存在次級體腔、兩側對稱的體制、身體和某些器官的分節現象等。這些共同點表明脊索動物是由無脊椎動物進化而來的。
二、脊索的出現在動物演化史上的意義
脊索的出現是動物演化史中的重大事件，使動物體的支持、保護和運動的功能獲得“質”的飛躍。這一先驅結構在脊椎動物達到更為完善的發展，從而成為在動物界中占統治地位的一個類群。
脊索（以及脊柱）構成支撐軀體的主梁，是體重的受力者，使內臟器官得到有力的支持和保護，運動肌肉獲得堅強的支點，在運動時不致由於肌肉的收縮而使軀體縮短或變形，因而有可能向“大型化”發展。脊索的中軸支撐作用也使動物體更有效地完成定向運動，對於主動捕食及逃避敵害都更為準確、迅捷。脊椎動物頭骨的形成、頜的出現以及椎管對中樞神經的保護，都是在此基礎上進一步完善化的發展。
