生命在海洋中繁盛
大約55億年前的古生代時期，是古代生命的時代，我們故事的背景又要有所改變了。龐大的超級大陸依然沿著赤道分布，但不久，巨大的裂隙撕開了大陸，海水湧入，形成了大片的淺水地區。在後來的2億年裏，大陸分離並漂向兩極。岩石和化石表明，那時海洋的溫度在20℃～40℃(68°F～104°F)之間，海水的化學組成和含鹽量與現代的海洋非常的相似，大氣中，氧氣的含量不斷上升。廣闊、溫暖的淺海棲息地為生命的爆發提供了絕佳的環境。
古生代的開端是寒武紀，這是一個以空前的生物演化和奇特的海洋生物多樣性為標誌的時期。在1000～3000萬年的時間裏，海洋生物迅猛發展，並出現了地球上所有生物的形態雛形。因此，這一時期被稱為寒武紀爆發或生物大爆炸。甲殼類、貝類、海膽、海綿、珊瑚、蠕蟲以及其他生物的祖先全都誕生了。生物第一次開始利用海水中的礦物質，如二氧化矽、碳酸鈣和磷酸鈣等來製造貝殼或骨骼，也就是說，生物進化出了硬體部分，如貝殼、棘狀物和由鱗構成的鱗甲。
最早具有硬體部分的動物種群是小介殼的生物；它們中有一些與現代的生物相似，而另一些則具有奇特的小的葉狀物、管狀物、鱗甲和帽狀物。斯蒂芬·高爾德在他的頗具有啟蒙意義的書《神奇的生命：代表性頁岩和曆史的本質》中指出，古生物學家以令人尊敬的坦誠，尷尬地把這些最早的令人迷惑的生物稱為“小介殼類動物群落”。隨著時間流逝，小介殼類動物群落消失了，但其後不久，最著名的寒武紀動物種群出現了，這就是爬行的三葉蟲。那些對三葉蟲特別感興趣的人把寒武紀命名為三葉蟲時代。
三葉蟲，因其身體是橢圓形、三片狀而得名，在隨後的一億年中，它們統治了海洋。三葉蟲遍布海底，許多個體小，長度不到20厘米；而有一些則較大，體長可達半米。大多數的三葉蟲在海底爬行覓食，有一些還會遊泳；所有的三葉蟲都會捕食粗心的小動物。鱟就是它的肉食性三葉蟲祖先的某些部分的相似物。
在三葉蟲之後，出現了大量其他的甲殼類動物、類似蚌的腕足類動物，棘皮類動物和一種奇特的具有硬質鈣質骨骼的圓錐狀海綿。腕足動物是一種濾食性、有殼的生物，與蚌類似，靠斧足或棘狀物固定在海底生活，或隻是棲息於海底。棘皮動物得名於它們帶棘的表皮，包括海膽、海星以及像花一樣的海百合。它們是無頭的生物，不知道前後，現代的所有棘皮動物都是五邊對稱的。寒武紀的海洋中，充斥著蠕行類、掘穴類、少數的遊泳類、一些浮遊類和海底固著類的動物。珊瑚開始生長，形成了原始的珊瑚礁，水母在上麵隨波漂流。雖然，在寒武紀生物大爆炸中發展起來的許多生命形式是現代海洋生物的祖先，但是一些科學家認為，其他的奇特生物將再也不會重現於海洋中了。
現在，全世界都發現了寒武紀時期的化石。伯吉斯頁岩是加拿大英屬哥倫比亞南部的落基山脈的一處露頭，其岩層是最早、最著名也是最有爭議性的研究寒武紀海洋的窗口。1909年，Smithsonian研究所的秘書查爾斯·伍爾科特最早發現了伯吉斯頁岩的化石。在家人的幫助下，他花了數年時間在伯吉斯頁岩的黑色岩層中挖掘化石，最後向Smithsonian國家自然曆史博物館提供了65，000多件的化石標本。隨後的研究表明，伯吉斯頁岩的動物曾生活在一個高聳的石灰岩峭壁邊緣的一個巨大珊瑚礁上，之後在一次猛烈的水下泥崩中，它們在很短的時間裏被殺死，並被埋藏起來。它們形成的化石，不但包含了最早的具有硬體的生物的證據，還包括了古生物家夢寐以求的豐富多樣的軟體動物化石。伍爾科特最後鑒定出我們現在知道的170個種類中的100個。一些科學家批評伍爾科特，因為他試圖根據現代海洋中生物的身體結構來劃分古代的生物。但是伍爾科特對我們了解古代的海洋所做出的巨大貢獻是無可爭議的。
在伍爾科特工作之後的幾十年裏，科學家對伯吉斯頁岩化石很少關注。到了60年代後期，英國劍橋的廣個研究小組在古生物學家哈裏·韋庭頓和他的兩個學生布裏格斯和莫裏斯的帶領下，開始對伍爾科特的化石采集場和收集的伯吉斯頁岩化石進行了廣泛的再次調查。他們使用了精密的顯微鏡，對伯吉斯頁岩化石進行了細致入微的觀察；還用牙科鑽頭揭開了被硬結沉積物包藏了多年的化石表麵。隨著研究的進行，墨黑色頁岩中開始出現以前從未見過的生物。在高爾德有關伯吉斯頁岩化石的精彩描述中，他強調了這些“不可思議的奇跡”的奇特性質。
圍繞著伯吉斯頁岩存在著許多爭議：它們對進化意味著什麼，是否是現代生命形式的祖先，或者隻是代表了導致滅絕的不成功的原型。布裏格斯最初將一種動物描述為多毛綱的環節動物一一種身體分節的蠕蟲。後來，莫裏斯發現，這種動物沿著軀幹的棘毛不像任何的多毛綱動物，在認識到這種動物奇特的性質後，他將其命名為Mlucigenia。1977年，莫裏斯將這種動物畫成一種蠕蟲狀的生物，背上有七根不斷擺動的觸角，用柱狀的棘行走。20世紀90年代早期，科學家研究了來自中國的保存完好的標本後，給出了另外一種解釋，他們認為，莫裏斯所畫的實際上上下顛倒了。這種動物實際上是一種毛蟲樣的生物，背部的棘起著防身的作用，而長的觸角狀足是用來爬行的。但莫裏斯把它的腹部當成了背部，把背部當成了腹部。現在，莫裏斯和其他的科學家都認為，這種動物是現代節肢動物的祖先，如蟹、蜘蛛和昆蟲等。伯吉斯頁岩中的另一種動物是Anomalocaris，或稱為“怪蝦”。它長度可達半米，是最大的也可能是最貪得無厭的動物。它具有眼柄，身體類似烏賊，嘴圓形，有齒狀顎和與頭部相連的龐大四肢。它強有力的顎和捕食的本性使它榮獲“三葉蟲時代的恐怖分子”的稱號。起初，怪蝦被認為與現代的種類無關，但現在一些科學家認為，它也可能與節肢動物具有早期的親緣關係乙對於布裏格斯化石采集場和其他地方發現的寒武紀時期這些不可思議的奇跡的研究和爭議仍在繼續著。