As rochas sedimentares formadas há cerca de 570 milhões de anos, no início da era Paleozoica, contêm muito mais fósseis que as rochas pré-cambrianas. Isso é explicado pelo aparecimento de seres dotados de esqueletos resistentes, cujos fósseis têm mais chance de se preservar que animais de corpo mole. O documentário fóssil do período Cambriano (570 a 505 milhões de anos atrás) revela que, nessa época, os mares já eram habitados por grande variedade de algas multicelulares e de animais invertebrados, entre eles cordados primitivos, que viriam a originar os vertebrados.
Representação artística que trata de como seria a biodiversidade
aquática da era Paleozóica. Autor desconhecido.
Alguns animais cambrianos tinham semelhança com animais de hoje, e poderíamos associá-los claramente aos filos atuais. No entanto, outros tinham poucas semelhanças com as espécies modernas, tendo se extinguido sem deixar descendentes atuais. Um dos fósseis mais comuns nas rochas de toda a era Paleozoica é o trilobite, um animal artrópode que lembra um crustáceo. Os trilobites foram, provavelmente, os animais mais abundantes nos mares, entre 570 e 245 milhões de anos e extinguindo-se totalmente ao final da era Paleozoica.
Fóssil de trilobite (Dalmanites limulurus), animal típico da era Paleozoica; o tamanho desses invertebrados variava poucos centímetros a cerca de 50 cm. Por Brian Lean.
Até cerca de 438 milhões de anos atrás, quando teve início o período Siluriano, a vida estava restrita aos mares. Nesse período, provavelmente a partir de um grupo de algas verdes, começaram a surgir as primeiras plantas dotadas de adaptações que lhes permitia viver fora d'água. A quantidade de fósseis de plantas aumenta nas camadas de rocha seguintes, revelando que os continentes tornaram-se habitados por espécies vegetais de pequeno porte, e sua presença criou condições para que animais também pudessem sair da água para o ambiente seco, pois agora tinham abrigo e comida.
Representação artística de Cooksonia (Cooksonia pertoni), plantas que surgiram no período Siluriano, há cerca de 425 milhões de anos atrás. Autor desconhecido.
Os fósseis revelam que os primeiros animais a conquistar o ambiente de terra firme foram os insetos e os aracnídeos. Em seguida, uma linhagem de peixes primitivos também conseguiu adaptar-se ao ambiente de terra firme, originando os anfíbios. Os mais antigos fósseis de vertebrados encontrados são fragmentos de escamas de um peixe que viveu na metade do período Ordoviciano, há cerca de 480 milhões de anos atrás. Esses peixes não tinham mandíbulas e foram os ancestrais diretos dos peixes agnatos atuais, como a lampreia, por exemplo.
Placa de calcário fossilífero de "Liberty Formation", encontrada pela Faculdade de Wooster,
pela estudante Willy Nelson; data-se do período Ordoviciano. Autor desconhecido.
Um grupo de agnatos primitivos deu origem a peixes dotados de mandíbula, que, por serem altamente eficientes na captura de alimento, diversificaram-se e expandiram-se rapidamente, passando a dominar os mares. Os mares do período Devoniano, entre 408 a 360 milhões de anos atrás, foram dominados pelos peixes dotados de mandíbula. Havia fundamentalmente dois grupos desses peixes: um que apresentava nadadeiras reforçadas por raios cartilaginosos (nadadeiras radiais), e outro que apresentava nadadeiras carnosas dotadas de estrutura de sustentação (nadadeiras lobadas).
Representação artística que trata da paisagem Devoniana. Nota-se a presença de animais
como o Eusthenopteron, e ao fundo, Tiktaalik. Por Karen Carr.
Os peixes com nadadeiras radiais tiveram grande sucesso evolutivo, e a maioria dos peixes atuais, ou seja, os actinopterígios, descende deles. Os peixes com nadadeiras lobadas, chamados crossopterígios, cujos representantes atuais são os celacantos, teriam originado os animais de quatro pernas, os tetrápodes, grupo ao qual pertencem os anfíbios, os répteis, as aves e os mamíferos atuais. Os peixes crossopterígios apresentavam, na base de suas nadadeiras peitorais e pélvicas, uma parte carnosa suportada por um esqueleto ósseo interno.
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