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距今5.6亿年前的寒武纪 。
它们最早出现于寒武纪，在古生代早期达到顶峰，此后逐渐减少至灭绝。最晚的三叶虫（砑头虫目）于二亿五千万年前二叠纪结束时的生物集群灭绝中消失。三叶虫是非常知名的化石动物 ，其知名度可能仅次于恐龙 。
在所有的化石动物中三叶虫是种类最丰富的 ，至今已经确定的有九（或者十）个目，一万五千多个物种 。大多数三叶虫是比较简单的 、小的海生动物 ，它们在海底爬行 ，通过过滤泥沙来吸取营养。它们身体分节，有带沟将身体分为三个垂直的叶 。在世界各地都有发现过其化石 。
形态特征：
面部是头鞍（glabella）两边的侧叶。三叶虫蜕皮或者死后其活动颊（librigena）往往会分开 ，暴露其头盖
三叶虫的躯体分三个体段（tagmata）：头部由口前的两个体节和口后的四个体节完全融合在一起组成 ，胸部由可以相互运动的体节组成，尾部由最后几个羽尾扇和完全融合在一起的体节组成 。最原始的三叶虫尾部的体节构造相当简单 。
三叶虫的胸部非常灵活——化石的三叶虫有时会像现今的地鳖一样可以将身体卷在一起来保护自己。
三叶虫除了有一对口前的触角和一对尾须外 ，其他附肢之间没有区别 。每个附肢有六个节 。属最原始的双肢型附肢 ，集成了运动和呼吸两大功能，与其他早期的节肢动物类似。
虽然三叶虫只在背部有盔甲 ，但是它们的外骨骼还是相当沉重的 ，它们的外骨骼是由甲壳素为主的蛋白质联合方解石和磷化钙等矿物组成的 。
不像其他节肢动物那样能够在蜕皮前重新吸收外骨骼中的大部分矿物，三叶虫在蜕皮是将所有盔甲中的矿物全部抛弃，因此一只三叶虫可以留下多个良好地矿物化的外骨骼 ，这提高了三叶虫化石的数量 。
许多三叶虫有眼睛 ，还有可能用来作味觉和嗅觉器官的触角。有些三叶虫是瞎的，可能它们居住在非常深的海底 ，那里没有光 ，因此用不着眼睛。有些（比如蛙形镜眼虫Phacops rana）有很大的眼睛 。
灭绝
三叶虫灭绝原因不明，但是志留纪和泥盆纪时期两颚有强大关节连接的鲨鱼和其他早期鱼类的出现 ，与同时发生的三叶虫数量的减少似乎不是无关的 。三叶虫可能为这些新动物提供了丰富的食物。
此外到二叠纪后期时三叶虫的数量和种类已经相当少了 ，仅剩下砑头虫目（Proetida），这无疑为它们在二叠纪-三叠纪灭绝事件中灭绝提供了条件 。此前的奥陶纪-志留纪灭绝事件和泥盆纪后期灭绝事件虽然没有后来的二叠纪-三叠纪灭绝事件那么严重 ，但是也已经大大地减少了三叶虫的多样性 。
而晚寒武世海洋深部缺氧也是导致三叶虫多样性下降的原因之一。
今天存在与三叶虫外形最接近的动物可能是鲎或头虾纲（Cephalocarida）等动物 。
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