Les plus anciens systèmes visuels préservés se trouvent dans les trilobites éteints, des euarthropodes marins qui existaient il y a environ 520 à 250 millions d’années. Parce qu’ils possédaient une cuticule calcifiée, ils ont un bon dossier fossile, et généralement les surfaces porteuses de lentilles de leurs yeux composés appariés sont bien préservées. Les structures sublensaires, cependant, restent inconnues. Trois types d’yeux ont été distingués. Les yeux holochrotiques, apomorphes pour les trilobites, ont généralement de nombreuses petites lentilles contiguës, posées sur une surface visuelle en forme de rein. L’optique des lentilles, la plage angulaire de vision et l’ontogenèse ont été établies pour de nombreux yeux composés. Certains trilobites pélagiques ont des yeux énormes, sous-tendant un champ de vision panoramique. Les yeux schizochroaux ne se trouvent que dans un seul groupe, les phacopides (de l’Ordovicien au Dévonien). Ceux-ci ont de grandes lentilles, séparées les unes des autres par un matériau cuticulaire, et les lentilles ont une structure interne complexe de doublet ou de triplet, qui pourrait focaliser la lumière brusquement. L’optique des yeux phacopides est de plus en plus connue malgré le fait qu’il n’y a pas de contreparties directes chez les arthropodes vivants aujourd’hui. Les yeux schizochroaux sont apomorphes pour les phacopides et ont été dérivés par pédomorphose d’un précurseur holochroal. Les yeux abathochroaires sont confinés à un groupe cambrien de courte durée, les éodiscides (dont la plupart des représentants étaient aveugles). On en sait moins sur eux que les autres yeux trilobites et leurs origines restent obscures. Certains groupes de trilobites n’avaient pas d’yeux, mais avaient d’autres types d’organes sensoriels. À l’époque du Dévonien supérieur, plusieurs groupes de trilobites ont subi indépendamment une réduction progressive des yeux conduisant à la cécité, liée aux conditions environnementales dominantes de l’époque. Les derniers trilobites (d’âge carbonifère et permien) avaient cependant des yeux holochrotiques normaux, qui ont persisté jusqu’à l’extinction finale des trilobites à la fin du Permien.

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