Major animal clades evolved tens of millions of years before the widespread appearance of animal fossils.

Sedimentary rocks deposited across the Proterozoic-Phanerozoic transition record extreme climate fluctuations, a potential rise in atmospheric oxygen or re-organization of the seafloor redox landscape, and the initial diversification of animals. It is widely assumed that the inferred redox change facilitated the observed trends in biodiversity. Establishing this palaeoenvironmental context, however, requires that changes in marine redox structure be tracked by means of geochemical proxies and translated into estimates of atmospheric oxygen. Iron-based proxies are among the most effective tools for tracking the redox chemistry of ancient oceans. These proxies are inherently local, but have global implications when analysed collectively and statistically. Here we analyse about 4,700 iron-speciation measurements from shales 2,300 to 360 million years old. Our statistical analyses suggest that subsurface water masses in mid-Proterozoic oceans were predominantly anoxic and ferruginous (depleted in dissolved oxygen and iron-bearing), but with a tendency towards euxinia (sulfide-bearing) that is not observed in the Neoproterozoic era. Analyses further indicate that early animals did not experience appreciable benthic sulfide stress. Finally, unlike proxies based on redox-sensitive trace-metal abundances, iron geochemical data do not show a statistically significant change in oxygen content through the Ediacaran and Cambrian periods, sharply constraining the magnitude of the end-Proterozoic oxygen increase. Indeed, this re-analysis of trace-metal data is consistent with oxygenation continuing well into the Palaeozoic era. Therefore, if changing redox conditions facilitated animal diversification, it did so through a limited rise in oxygen past critical functional and ecological thresholds, as is seen in modern oxygen minimum zone benthic animal communities.

microRNAs (miRNAs) are approximately 22-nucleotide noncoding RNA regulatory genes that are key players in cellular differentiation and homeostasis. They might also play important roles in shaping metazoan macroevolution. Previous studies have shown that miRNAs are continuously being added to metazoan genomes through time, and, once integrated into gene regulatory networks, show only rare mutations within the primary sequence of the mature gene product and are only rarely secondarily lost. However, because the conclusions from these studies were largely based on phylogenetic conservation of miRNAs between model systems like Drosophila and the taxon of interest, it was unclear if these trends would describe most miRNAs in most metazoan taxa. Here, we describe the shared complement of miRNAs among 18 animal species using a combination of 454 sequencing of small RNA libraries with genomic searches. We show that the evolutionary trends elucidated from the model systems are generally true for all miRNA families and metazoan taxa explored: the continuous addition of miRNA families with only rare substitutions to the mature sequence, and only rare instances of secondary loss. Despite this conservation, we document evolutionary stable shifts to the determination of position 1 of the mature sequence, a phenomenon we call seed shifting, as well as the ability to post-transcriptionally edit the 5' end of the mature read, changing the identity of the seed sequence and possibly the repertoire of downstream targets. Finally, we describe a novel type of miRNA in demosponges that, although shows a different pre-miRNA structure, still shows remarkable conservation of the mature sequence in the two sponge species analyzed. We propose that miRNAs might be excellent phylogenetic markers, and suggest that the advent of morphological complexity might have its roots in miRNA innovation.

The Proterozoic-Cambrian transition records the appearance of essentially all animal body plans (phyla), yet to date no single hypothesis adequately explains both the timing of the event and the evident increase in diversity and disparity. Ecological triggers focused on escalatory predator–prey “arms races” can explain the evolutionary pattern but not its timing, whereas environmental triggers, particularly ocean/atmosphere oxygenation, do the reverse. Using modern oxygen minimum zones as an analog for Proterozoic oceans, we explore the effect of low oxygen levels on the feeding ecology of polychaetes, the dominant macrofaunal animals in deep-sea sediments. Here we show that low oxygen is clearly linked to low proportions of carnivores in a community and low diversity of carnivorous taxa, whereas higher oxygen levels support more complex food webs. The recognition of a physiological control on carnivory therefore links environmental triggers and ecological drivers, providing an integrated explanation for both the pattern and timing of Cambrian animal radiation.

Drivers of the “Great Dying” Though our current extinction crisis is substantial, it pales in comparison to the largest extinction in Earth's history, which occurred at the end of the Permian Period. Referred to as the “Great Dying,” this event saw the loss of up to 96% of all marine species and 70% of terrestrial species. Penn et al. explored the extinction dynamics of the time using Earth system models in conjunction with physiological data across animal taxa (see the Perspective by Kump). They conclude that increased marine temperatures and reduced oxygen availability were responsible for a majority of the recorded extinctions. Because similar environmental alterations are predicted outcomes of current climate change, we would be wise to take note. Science , this issue p. eaat1327 ; see also p. 1113

Abstract The minimum O 2 needed to fuel the demand of aquatic animals is commonly observed to increase with temperature, driven by accelerating metabolism. However, recent measurements of critical O 2 thresholds (‘ P crit ’) reveal more complex patterns, including those with a minimum at an inter-mediate thermal ‘optimum’. To discern the prevalence, physiological drivers, and biogeographic manifestations of such curves, we analyze new experimental and biogeographic data using a general dynamic model of aquatic water breathers. The model simulates the transfer of oxygen from ambient water, through a boundary layer and into animal tissues driven by temperature-dependent rates of metabolism, diffusive gas exchange, and ventilatory and circulatory systems with O 2 -protein binding. We find that a thermal optimum in P crit can arise even when all physiological rates increase steadily with temperature. This occurs when O 2 supply at low temperatures is limited by a process that is more temperature sensitive than metabolism, but becomes limited by a less sensitive process at warmer temperatures. Analysis of species respiratory traits suggests this scenario is not uncommon in marine biota, with ventilation and circulation limiting supply under cold conditions and diffusion limiting supply at high temperatures. Using biogeographic data, we show that species with these physiological traits inhabit lowest O 2 waters near the optimal temperature for hypoxia tolerance, and are restricted to higher O 2 at temperatures above and below this optimum. Our results imply that O 2 tolerance can decline under both cold and warm conditions, and thus may influence both poleward and equatorward species range limits. Significance Statement Physiology shapes the ecology, biogeography, and climate responses of marine species. In aquatic ectotherms, accelerating metabolism and lowered oxygen availability generally result in increasing oxygen limitation with warming. Here we present evidence for thermal optima in hypoxia tolerance of diverse species that is explained by a dynamical model of organismal physiology. Our results indicate that this potentially widespread bidirectional pattern explains species biogeographic limits in cold and warm waters. It can be understood using a generalized Metabolic Index of O 2 supply to demand, which captures the variable observed trends between temperature and species hypoxia sensitivity. Oxygen limitation of aerobic metabolism in cold water has far-reaching implications for marine biogeography and species migrations under climate change.

Abstract A geologically rapid Neoproterozoic oxygenation event is commonly linked to the appearance of marine animal groups in the fossil record. However, there is still debate about what evidence from the sedimentary geochemical record—if any—provides strong support for a persistent shift in surface oxygen immediately preceding the rise of animals. We present statistical learning analyses of a large dataset of geochemical data and associated geological context from the Neoproterozoic and Palaeozoic sedimentary record and then use Earth system modelling to link trends in redox-sensitive trace metal and organic carbon concentrations to the oxygenation of Earth’s oceans and atmosphere. We do not find evidence for the wholesale oxygenation of Earth’s oceans in the late Neoproterozoic era. We do, however, reconstruct a moderate long-term increase in atmospheric oxygen and marine productivity. These changes to the Earth system would have increased dissolved oxygen and food supply in shallow-water habitats during the broad interval of geologic time in which the major animal groups first radiated. This approach provides some of the most direct evidence for potential physiological drivers of the Cambrian radiation, while highlighting the importance of later Palaeozoic oxygenation in the evolution of the modern Earth system.