Se han sugerido muchos orígenes posibles para las orquídeas, no obstante, la familia de las hipoxidáceas (o plantas similares a ellas, ya extintas) parecen ser sus progenitores más probables. A pesar de ser la familia de angiospermas más diversa sobre la tierra, las orquídeas no poseen un registro fósil adecuado por lo que muchos aspectos de su historia evolutiva permanecen oscuros.
No obstante, en 2007 se ha informado el hallazgo en la República Dominicana del polinario de una orquídea (la que fue denominada Meliorchis caribea) preservado en ámbar y adherido al mesoescutelo de una especie extinta de abeja (Proplebeia dominicana). Ese fósil proviene del Mioceno, aproximadamente 15 a 20 millones de años atrás. Este descubrimiento constituye no sólo el primer fósil de orquídea descubierto sino también el primer antecedente fósil de las interacciones entre las plantas y sus polinizadores. Asimismo, este descubrimiento sumado a análisis cladísticos sobre datos de la morfología, indican que el ancestro más reciente de las orquídeas existentes vivió en el Cretácico superior, entre 76 a 84 millones de años atrás.42 La monofilia de las orquídeas está sustentada tanto por la morfología como por los análisis de secuencias de ADN (Dressler 1981,43 1993,44 Dressler y Chase 1995,45 Burns-Balogh y Funk 1986,46 Judd et ál. 1993,47 Chase et ál. 2000,48 Fay et ál. 2000,49 Freudenstein et ál. 200450 ). Asimismo, las relaciones filogenéticas dentro de la familia, motivo de activas investigaciones en las últimas décadas que todavía continúan, han sido dilucidadas mediante análisis cladísticos de la morfología y de secuencias conservadas del ADN (Dressler 1983,51 1993,44 Chase 1986,52 1988,53 Chase y Hills 1992,54 Chase y Palmer 1992,55 Cameron et ál. 1999,56 Kores et ál. 2000,57 Whitten et ál. 2000,58 Salazar et ál. 2003,59 Burns-Balogh y Funk 1986,46 Cameron 2006,60 Dressler 1986,61 1993,44 Judd et ál. 1993,47 Dressler y Chase 1995,45 Cameron et ál. 1999,56 Freudenstein y Rasmussen 1999,62 Cameron y Chase 2000,63 Freudenstein et ál. 2000,64 2004,50 Molvray et ál. 2000,65 van den Berg et ál. 200566 ).
La filogenia de las orquídeas se halla suficientemente aclarada en la actualidad, lo que permite la reconstrucción de los estados ancestrales y el análisis de la evolución de varios caracteres adaptativos novedosos, los que incluyen los síndromes de polinización altamente especializados, la colonización de hábitats epifíticos y la presencia de metabolismo ácido de las crasuláceas.67 El metabolismo ácido de las crasuláceas (conocido como CAM, acrónimo inglés para Crassulacean Acid Metabolism) es una ruta fotosintética, muy distribuida taxonómicamente, la cual ha evolucionado en plantas que habitan ambientes con limitaciones de agua y de dióxido de carbono, los cuales incluyen el dosel de los bosques tropicales con disponiblidad hídrica estacional o intermitente.68 La fotosíntesis C3 es el estado ancestral de la familia y el metabolismo CAM ha evolucionado al menos diez veces de modo independiente, con varias reversiones al estado original. Un gran evento de radiación adaptativa hacia el metabolismo CAM ocurrió dentro de Epidendroideae, el clado con mayor riqueza de especies epífitas de todos los grupos de plantas conocidos, el cual estuvo ligado a la rápida evolución de una gran cantidad de especies durante el período Terciario. De hecho, se ha demostrado que existe una asociación muy estrecha entre el metabolismo CAM y el hábito epifítico, caracteres que habrían evolucionado paralelamente hace unos 65 millones de años, en correspondencia con la progresiva aridificación y reducción de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera durante el Terciario. Aparentemente, la riqueza de especies en las orquídeas está ligada a la colonización de hábitats epifíticos, y la capacidad para hacerlo estuvo relacionada con la adquisición del metabolismo CAM, como un medio de llevar a cabo la fotosíntesis con bajo consumo de agua.69 No obstante, el cambio del hábito de crecimiento terrestre al hábito epifítico no solo requiere del metabolismo CAM, sino también de la presencia de varios otros atributos adaptativos. Así la presencia de raíces finas, pequeñas y trepadoras es esencial para la adhesión a un sustrato con escasa estabilidad, como las ramas de los árboles.70 La suculencia y las raíces con velamen se requieren para soportar los períodos prolongados de deficiencia hídrica al estar fijadas a sustratos con escasa o nula capacidad de retención de agua.71 Finalmente, la densidad poblacional de los organimos epifiticos es en general muy baja,72 por lo que requieren de sistemas de polinización altamente especializados para lograr la transferencia eficiente del polen entre plantas diferentes.73 74 Todas estas adaptaciones morfológicas y fisiológicas se han desarrollado en las orquídeas en múltiples ocasiones, lo que ha determinado la gran riqueza de especies de esta familia y que casi el 70% de las mismas sean epífitas.75
Los géneros Apostasía y Neuwiedia (pertenecientes a la subfamilia Apostasioideae) son considerados hermanas del resto de los miembros de la familia (Dressler 1993,44 Judd et ál. 1993,47 Dressler y Chase 1995,45 Neyland y Urbatsch 1996,76 Cameron et ál. 1999,56 Freudenstein y Rasmussen 199962 ). Estos dos géneros, y especialmente Neuwiedia, han retenido muchos caracteres ancestrales, como por ejemplo la presencia de dos (Apostasia) o tres (Neuwiedia) estambres en sus flores, los que están sólo ligeramente fusionados al estilo y los granos de polen, independientes entre sí y no pegajosos. Las restantes orquídeas, en cambio, presentan polen pegajoso o con los granos de polen fusionados entre sí en el momento en el que son liberados de los estambres. Dentro del grupo de orquídeas con polen pegajoso, las subfamilias Cypripedioideae y Vanilloideae son los clados basales. La primera de ellas (que incluye, por ejemplo, a Cypripedium y Paphiopedilum) es claramente monofilética y sus miembros comparten algunos caracteres exclusivos, como su labelo en forma de saco (con la forma de una zapatilla) y la antera media modificada en un estaminodio con forma de escudo y dos estambres funcionales. Vanilloideae (que contiene por ejemplo a Vanilla, Pogonia y Cleistes) se distingue porque sus flores tienen sólo un estambre funcional y tampoco presentan polinias.
Las restantes subfamilias poseen un solo estambre funcional, los granos de polen se encuentran agrupados formando polinias y el filamento del estambre se encuentra completamente fusionado con el estilo (Dahlgren et ál. 1985,77 Burns-Balogh y Funk 1986,46 Judd et ál. 199347 ). Este clado, que incluye a todas las especies con polen agrupado en polinias, tiene flores con sólo un estambre funcional (se dicen monandras) y los dos estambres laterales están transformados en esbeltos estaminodios o faltan completamente).
Los análisis de morfología (Freudenstein y Rasmussen 199962 ) y algunos análisis moleculares (Cameron et ál. 1999,56 Molvray et ál. 200065 ) indican que las orquídeas monandras son monofiléticas, No obstante, otros análisis moleculares (Cameron 2006,60 Cameron y Chase 2000,63 Freudenstein et ál. 200450 ), sostienen que la reducción del número de estambres funcionales ha ocurrido en dos oportunidades durante la evolución de la familia. Entre las orquídeas monandras con polinia se reconocen dos grandes subfamilias, Epidendroideae y Orchidoideae (incluyendo Spiranthoideae). Los miembros de Epidendroideae comparten la apomorfía de presentar una antera picuda e incumbente (es decir, la antera se halla curvada sobre el ápice de la columna), mientras que los integrantes de Orchidoideae comparten las apomorfías de un ápice de la antera agudo, tallos suaves y hojas convolutas.78 44 El árbol filogenético de las subfamilias es el que sigue (Judd et ál. 2007, modificado de Cameron et ál. 1999,56 Kocyan et ál. 200479 ):