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亿万年以来，尽管地球的海洋中充满了生命，但那些单个的生命体还是无法以肉眼看到。因为在几十亿年的时光中，海洋中唯一的生物仅仅是由一个个细胞组成的。
一些细胞可能会集聚成群落，但这些细胞最早的化石证据却出现在仅仅6亿年前。这些群落可能很像海绵，它们是目前仍然存在的最“原始”的动物，在海洋的许多地方仍有发现。在海绵里，每个细胞都能独立存活，但也能和其他细胞一起运作。如果一个活的海绵被分解成碎片，那么它们会在一段时间内重新聚集在一起，形成一个新的群落。海绵将自己固定在岩石上，并以水中的微小颗粒为食。它的细胞之间会互相协调，但并不存在真正的神经系统。
在5.9亿年前，大量高等动物出现了，它们有着更清晰明确的身体构造以及可识别的神经系统。这些生物的生存范围仍然局限在海洋中，它们包括腔肠动物（如水母和海葵），环节动物和节肢动物。节肢动物的主要特征包括左右对称、分节的身体、具有许多条腿和眼睛，还有外骨骼结构——一种保护内部器官的坚硬外壳。今天所有的节肢动物——包括甲壳类动物、蜘蛛、蝎子和昆虫——都是这些早期生物的后代，而其他节肢动物组，如三叶虫，则早就灭绝了。
三叶虫出现在寒武纪时期（5.42亿—4.88亿年前）。这是一个见证了新动物类型“大爆炸”的时代，包括今天已知的大多数无脊椎动物群。对于寒武纪大爆发，人们提出了各种可能的解释。进行光合作用的生物增加，并在大气层中生产出了更多的氧气；此时，臭氧层已经形成，开始保护地球上的生物免受太阳紫外线的影响；同时，由于大洋中脊处的火山运动变得更加频繁，海洋中的钙（是坚硬的身体部位，如外骨骼的关键成分）也猛然增加。生态学和进化学的解释提出，此时捕食者和猎物之间的竞争开始加速，而这可能是由第一批最原始的眼睛进化而引发的，这样即使在远处，猎物也会被捕食者发现——反之亦然。
物种的雏形
在寒武纪大爆发时期，出现了一些与我们今天认知内的动物完全不同的群体。在加拿大的伯吉斯页岩中发现的奇怪生物是欧巴宾海蝎（Opabinia），是一种有着五只眼睛和一个吸尘器一般鼻子的食肉动物。另一种捕食者是奇虾（Anomalocaris），长60厘米，通过侧翼来推动自身前行，嘴巴则像一片菠萝。伯吉斯生物的许多奇妙设计可以算是寒武纪的成功案例，但这也仅仅是昙花一现——因为一种长约4厘米的鳗鱼状生物，皮卡虫（Pikaia）则被认作是脊椎动物的祖先，它们属于脊索动物门，而这一门中就包含了人类。
下一个关键事件是第一个真正的脊椎动物的出现。脊椎动物是具有内骨骼结构的生物，包括由相连的脊椎骨组成的脊柱，能够保护脊髓——更先进神经系统的核心组成部分。现如今，还有少数鲜为人知的生物有脊髓但没有脊柱，其祖先最早出现的时间被认为在寒武纪。但第一个真正的脊椎动物——无颌鱼（与现在七鳃鳗类似）出现在大约5亿年前。
这些早期鱼类体内的骨架是由软骨而不是骨头构成的。今天的许多鱼类仍然是这样，包括鲨鱼和鳐鱼，在大约4.1亿年前，它们的祖先第一批进化出了下颌，而下颌正是今天几乎所有脊椎动物群共有的一个特征。