Le innovazioni evolutive sembrano essere state relativamente poche e lontane tra loro nei primi tre miliardi di anni circa di vita sulla Terra. Le principali innovazioni evolutive durante questo periodo furono l’evoluzione dei batteri ossifotosintetici e delle cellule complesse (eucarioti). Sebbene la vita stessa abbia avuto origine almeno 3.7 miliardi di anni fa, solo circa 600 milioni di anni fa sono apparse le prime prove concrete di vita multicellulare.
Tralasciando le innovazioni evolutive dei protozoi (unicellulari), che molti scienziati sostengono siano le più importanti di tutte per motivi tecnici, ci sono una serie di innovazioni evolutive, la cui utilità è ovvia per chiunque. Cinque innovazioni evolutive che sembrano più importanti sono l’evoluzione di un terzo strato germinale, che consente una cavità corporea, chiamata anche celoma; la predazione, che ha dato il via a una corsa agli armamenti per il cambiamento evolutivo; occhi, che dopo la loro evoluzione iniziale hanno avuto un tale successo che la maggior parte degli animali macroscopici li possiede; la colonizzazione della terra da parte di piante e animali; e l’evoluzione del vero volo, che si è verificato indipendentemente quattro volte e ha aperto una nuova enorme nicchia per gli animali da colonizzare.
L’evoluzione di un terzo strato germinale, cioè animali triploblastici, è avvenuta tra 600 e 580 milioni di anni fa. Il primo fossile triploblastico conosciuto è Vernanimalcula guizhouena, un minuscolo animale sferico di appena 0.1 mm di diametro. È stato scoperto che questo animale ha due cavità del corpo che separano il suo intestino dalla parete del corpo. Questa disposizione fisiologica aiuta ad attutire gli organi interni mentre disaccoppia le dipendenze strutturali tra i due, consentendo loro di svilupparsi in modo indipendente. Si tratta di un’inestimabile innovazione evolutiva.
L’evoluzione della predazione e degli occhi probabilmente si è verificata molto presto insieme. Dato quello che sappiamo, è ragionevole presumere che entrambi questi eventi siano avvenuti più o meno nello stesso periodo, al confine Cambriano-Precambriano circa 542 milioni di anni fa. Tutti gli animali con gli occhi sono monofiletici, nel senso che condividono un antenato comune che si è evoluto durante questo periodo. Questo è in contrasto con una visione precedente che affermava che gli occhi si sono evoluti indipendentemente in diverse occasioni. Nello stesso periodo, sono comparsi i primi organismi con gusci duri e su questi gusci si possono vedere piccoli fori, un segno rivelatore di predatori. La predazione potrebbe essersi evoluta anche prima, poiché vi sono prove sommarie di predazione dal periodo Ediacarano, 10-20 milioni di anni prima del confine Cambriano-Precambriano.
Le ultime due innovazioni evolutive di grande importanza sono il passaggio a terra e il passaggio all’aria. Il trasferimento sulla terraferma è il più importante dei due, avvenuto tra circa 460 e 430 milioni di anni fa, durante i periodi Ordoviciano e Siluriano. In questo periodo, le alghe verdi si sono evolute in piante terrestri, seguite diverse decine di milioni di anni dopo da semplici artropodi, inclusi gli antenati dei moderni ragni e mietitori. Il primo fossile terrestre conosciuto è un millepiedi. Molto più tardi, circa 350 milioni di anni fa, durante il periodo Carbonifero, gli insetti hanno evoluto il volo, sfruttando una nuova enorme nicchia. Il volo si evolverebbe indipendentemente altre tre volte: negli pterosauri, negli uccelli e nei pipistrelli.