Die häufigsten und auffallendsten Fossilien in den Gesteinen unserer Erde stammen von wirbellosen Tieren. Ihre Größe reicht von mikroskopisch kleinen Lebewesen bis zu Kopffüßern mit spiralig eingerollten Schalen von 2 m Durchmesser. Ihre Zeit begann im frühen Kambrium (vor 570 Millionen Jahren) und reichte bis in geschichtliche Zeiten.
Korallen
Zahlreiche Fossilien von Korallen sind schon aus dem Erdaltertum bekannt. Korallen sind Hohltiere, ihre Polypen bilden verschiedenartige Skelette aus Kalk oder Hornmasse. Man kann sie in drei Gruppen einteilen, zwei davon sind ausgestorben. Zur ersten Gruppe mit faltigem Skelett zählten vor allem einzeln lebende Tiere. Diese sahen den Seeanemonen ähnlich, waren aber von kelchförmigen Schalen umhüllt. Einige spätere Formen lebten in Kolonien und bildeten Korallenstöcke. Die Gruppe erschien im mittleren Ordovizium, erreichte ihren Höhepunkt gegen Ende des Karbons und starb im Perm aus. Bei den Korallen der zweiten Gruppe lebten viele kleine Einzeltiere in Tierstöcken zusammen. Sie erschienen im Ordovizium, hatten ihre Blütezeit im Silur und Devon und starben im Perm aus. Zur dritten Gruppe, den Steinkorallen, gehören die heutigen riffbildenden Korallen. Sie erschienen erst in der Mitte der Triaszeit und bilden ebenfalls Kolonien.
Graptolithen
Diese Lebewesen des Erdaltertums wurden anfangs für Pflanzen, später für Hornkorallen, Moostierchen oder Kopffüßer gehalten. Wahrscheinlich gehören sie zu den Hohltieren. Die im Meer schwebenden Tiere waren in den Ozeanen des Ordoviziums und des Silurs häufig. Ihre Entwicklung verlief schnell, sie sind Leitfossilien für Schiefergesteine des Paläozoikums.
Weichtiere
Tentakel tragende Weichtiere, die Kopffüßer, finden sich bereits im Kambrium. Die ersten Kopffüßer hatten gerade, kegelförmige Schalen. Diese einfachen Formen lebten bis zum Karbon. Inzwischen hatten sich Kopffüßer mit gewundenen, manchmal sogar spiralig eingerollten Schalen entwickelt. Von solchen nautilusähnlichen Arten des jüngeren Paläozoikums stammen die weitverbreiteten Ammoniten des Mesozoikums ab, deren Schalen in Gesteinen der Jurazeit auf der ganzen Welt ein geläufiger Anblick sind. Wegen der Vielfalt von Form und Zeichnung ihrer Schalen und wegen der kurzen Verbreitungszeit jeder Art sind sie ebenfalls als Leitfossilien geeignet. Ammoniten starben während der großen Veränderung der Fauna am Ende des Mesozoikums aus. Nur einige Kopffüßer überlebten, wie Sepia, Octopus und Nautilus.
Schnecken und Muscheln, die beiden anderen Hauptvertreter der Weichtiere, waren ebenfalls bereits im Kambrium vertreten, aber erst im Tertiär wurden die Muscheln die verbreiteten Schalentiere, die sie heute sind. Während des Paläozoikums und des Mesozoikums war ihre ökologische Nische von einer primitiveren Gruppe besetzt, den Armfüßern oder Armkiemern, die ihnen äußerlich glichen. Auch sie waren sesshaft, und ihr Weichkörper war von zwei Schalen umschlossen. Beide sind aber nicht näher miteinander verwandt. Anstelle einer linken und rechten Schale, wie die Muscheln, besaßen die Armfüßer eine obere und untere Schale. Gegen Ende des Mesozoikums nahmen sie ab und wurden von den Muscheln ersetzt.
Gliederfüßer
Zu den ältesten Fossilien gehören die Gliederfüßer, sie kommen seit dem Kambrium vor. Diese Tiere besitzen mehrgliedrige Beine mit Gelenken und Schalen aus Chitin wie die heutigen Insekten, Spinnen und Krebse. Im Kambrium waren z. B. die Trilobiten (Dreilapper) verbreitet. Sie waren unspezialisierte Meerestiere mit einem in viele gleichartige Segmente unterteilten Körper. Trilobiten erschienen im Ordovizium und hatten ihre Blütezeit in der ersten Hälfte des Paläozoikums, während des Devons wurden sie selten, am Ende des Perms waren sie ausgestorben. Die verwandten Riesenskorpione gab es nur in einer kürzeren Zeit, vom Silur bis zum Perm, zu Lebzeiten müssen sie der Schrecken der Meere gewesen sein. Die kleinen Muschelkrebse bilden eine weitere wichtige Gruppe der Gliederfüßer. Sie waren umgeben von einem Paar dünner Schalen, die am Rücken gelenkig verbunden waren. Die Schalen der verschiedenen Arten hatten ganz charakteristische Formen. Als Leitfossilien sind sie bedeutsam, da jede Art zeitlich gut einzuordnen ist. So kann das Alter eines Gesteins, das eine dieser Arten enthält, bestimmt werden.
Gliederfüßer gehörten zu den ersten Tieren, die das Festland besiedelten. Archedesmus, ein Tausendfüßer, findet sich in Gesteinen des Devons. Etwas später entwickelten sich Insekten, die Wälder des Karbons beherbergten Geschöpfe wie Meganeura, eine Libelle von der Größe eines Papageis. Da man fossile Landgliederfüßer selten findet, ist über ihre Evolution wenig bekannt. Man weiß, dass Spinnen und einfachere Insekten im späteren Paläozoikum häufig waren. Fliegende und Staaten bildende Insekten entwickelten sich nicht vor der zweiten Hälfte des Mesozoikums.
Stachelhäuter
Die aus sternförmig angeordneten Kalkplättchen bestehenden Skelette der Stachelhäuter, besonders der Seeigel und Seelilien, sind oft gut erhalten. Manche Kalksteine des Karbons bauen sich vorwiegend aus Überresten von Haarsternen und Seelilien auf.
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