Hệ thực vật

Xerophyta: Pachycereus pringlei ở hoang mạc Baja California, vùng Cataviña, Mexico

Súc vật Phú Bảo đối mặt với những thách thức nghiêm trọng trong môi trường khô cằn. Vấn đề mà chúng cần phải giải quyết bao gồm việc làm thế nào để có được đủ nước, làm thế nào để tránh bị ăn và làm thế nào để sinh sản. Quang hợp là chìa khóa để tăng trưởng thực vật. Nó chỉ có thể diễn ra trong ngày khi mà năng lượng mặt trời là đủ cần thiết, nhưng vào ban ngày, nhiều sa mạc trở nên rất nóng. Việc mở khí khổng cho phép hút lượng carbon dioxit cần thiết cho quá trình này đồng thời gây ra sự bốc thoát hơi nước, và việc bảo tồn nguồn nước là một ưu tiên hàng đầu cho thực vật ở sa mạc. Một số thực vật đã giải quyết vấn đề này bằng cách áp dụng chuyển hóa axít crassulacean, cho phép chúng mở khí khổng vào ban đêm để cho phép hút CO2 vào, và đóng chúng vào ban ngày,[57] hoặc dùng cách cố định cacbon C4.[58]

Nhiều loài thực vật sa mạc đã làm giảm kích thước của lá hoặc bỏ chúng hoàn toàn. Xương rồng là "chuyên gia" sa mạc và trong hầu hết các loài lá đã bị thoái hóa thành gai và diệp lục di chuyển vào thân cây, cấu trúc tế bào trong đó đã được thay đổi để cho phép chúng lưu trữ nước. Khi mưa rơi, nước được hấp thu nhanh chóng bởi rễ nông và giữ lại để cho phép chúng tồn tại cho đến khi cơn mưa tiếp theo, có thể là vài tháng hoặc vài năm sau đó.[59] Loài xương rồng khổng lồ saguaro của hoang mạc Sonoran tạo thành "rừng", cung cấp bóng râm cho các loài thực vật khác và nơi làm tổ của các loài chim sa mạc. Saguaro phát triển rất chậm nhưng có thể sống lên đến hàng trăm năm. Bề mặt thân cây được gấp lại như một concertina, cho phép chúng giãn ra, và các tiêu bản lớn có thể giữ được 8 tấn nướcd sau khi các trận mưa lớn.[59]

Cacti phân bố hạn chế ở Tân Thế giới nhưng các loài thực vật Xerophyta đã phát triển theo các kịch bản tương tự bởi quá trình tiến hóa hội tụ.[60] Họ hạn chế sự mất nước bằng cách giảm kích thước và số lượng lỗ khí, bởi có lớp phủ sáp và lá rậm hoặc nhỏ. Một số có lá rụng sớm, rụng lá vào mùa khô nhất, và những nhóm khác bị cong lá để giảm bớt bốc hơi. Những loài khác trữ nước trong lá mọng nước hoặc thân hoặc mọng nước. Các loài thực vật sa mạc tối đa hóa sự hấp thu nước bằng bằng cách có bộ rễ nông phát triển rộng, hoặc bằng cách phát triển dài rễ cọc đạt tới xuống tầng đất đá sâu để lấy nước ngầm.[61] saltbush ở Australia có lá mọng nước và tiết ra các tinh thể muối, cho phép nó sống trong khu vực nhiễm mặn.[61][62] Giống với xương rồng, nhiều loài đã phát triển gai để tránh các động vật ăn chúng.[59]

Loài Acacia erioloba ở sa mạc Namib gần như không còn lá vào mùa khô.

Một số thực vật sa mạc sinh hạt nằm ngủ trong đất cho đến khi có điều kiện phát triển khi có mưa. Các loài cây hàng năm như vậy phát triển với tốc độ rất nhanh và có thể ra hoa và kết hạt chỉ trong vòng vài tuần, nhằm hoàn thành vòng đời phát triển của chúng trước khi nước bị khô cạn. Đối với các loài cây lâu năm, sự sinh sản có nhiều khả năng thành công hơn nếu hạt nảy mầm ở một vị trí bóng râm, nhưng không quá gần với cây mẹ vì có sự cạnh tranh với nó. Một số hạt sẽ không nảy mầm cho đến khi nó đã được thổi trên mặt sa mạc để làm tróc vỏ hạt. Hạt giống của cây bụi mọc trong sa mạc ở Mỹ cứng và không nảy mầm ngay cả khi trồng một cách cẩn thận. Khi nó đã đi qua ruột của Pronghorn thì nó nảy mầm dễ dàng, và đống phân nhỏ ẩm cung cấp một khởi đầu tốt đẹp cho cuộc sống tốt ra khỏi cây mẹ.[59] Thân và lá của một số cây nằm thấp hơn vận tốc bề mặt mà gió có thể mang hạt cát và bảo vệ đất khỏi bị xói mòn. Ngay cả nấm nhỏ và các thực vật cực nhỏ được tìm thấy trên bề mặt đất có thể là một liên kết quan trọng trong việc ngăn ngừa xói mòn và trợ cho các sinh vật sống khác sinh sống. Hoang mạc lạnh thường có nồng độ muối cao trong đất. Cỏ và cây bụi thấp là thảm thực vật chiếm ưu thế ở đây và mặt đất có thể được phủ bởi địa y. Hầu hết các bụi cây có lá gai và rụng lá vào thời kỳ lạnh nhất trong năm.[63]

Hệ động vật

Động vật thích nghi để sống trong sa mạc được gọi là xerocole. Không có bằng chứng cho thấy nhiệt độ cơ thể của động vật có vú và các loài chim là thích nghi với khí hậu khác nhau, hoặc là nhiệt độ lớn hoặc quá lạnh. Trong thực tế, với một số rất ít trường hợp ngoại lệ, tốc độ trao đổi chất cơ bản của chúng được xác định bởi kích thước cơ thể, không phụ thuộc vào khí hậu mà chúng sống.[64] Nhiều loài động vật sa mạc (và thực vật) cho thấy sự thích nghi tiến hóa đặc biệt rõ ràng cho việc bảo tồn nước hoặc khả năng chịu nhiệt và do đó thường được nghiên cứu trong sinh lý học so sánh, sinh lý học sinh thái và sinh lý học tiến hóa. Một ví dụ cũng được nghiên cứu đầy đủ là sự biệt hóa thận của động vật có vú thể hiện qua các loài sinh sống ở sa mạc.[65] Nhiều ví dụ về tiến hóa hội tụ đã được xác định trong các sinh vật sa mạc, bao gồm giữa cây xương rồng và Euphorbia, chuột túi và jerboas, Phrynosoma và thằn lằn Moloch.[66]

Cursorius cursor là một "công dân" sa mạc ngụy trang giỏi, có cơ thể màu bụi và dấu hiện đầu lộn xôn.

Sa mạc thể hiện một môi trường đầy thách thức đối với động vật. Không chỉ những yêu cầu về nước và thức ăn mà chúng cũng cần phải giữ cho nhiệt độ cơ thể ở một mức độ chấp nhận được. Bằng nhiều cách khác nhau, chim là có khả năng nhất để làm điều này trong những động vật bậc cao. Chúng có thể di chuyển đến các khu vực có nhiều thức ăn sẵn có khi sa mạc nở hoa sau các trận mưa địa phương và có thể bay đến những trũng nước xa xôi. Trong hoang mạc nóng, chim lượn có thể tự loại bỏ nhiệt cao từ nền sa mạc quá nóng bằng cách sử dụng nhiệt để bay vút lên đới không khí lạnh ở độ cao lớn. Để bảo tồn năng lượng, các loài chim sa mạc khác chạy thay vì bay. cream-coloured courser flits chạy trên mặt đất trên đôi chân dài của mình, dừng định kỳ để bắt côn trùng. Như các loài chim sa mạc khác, nó có khả năng ngụy trang tốt bởi nó có thể ẩn mình vào cảnh quan xung quanh khi đứng yên. Các con gà gô cát là một chuyên gia về ngụy trang và làm tổ ở mở trên sa mạc cách các vũng nước mà chúng hay uống hàng ngày hàng chục km. Một số loài chim nhỏ sống ban ngày được tìm thấy ở các vị trí rất hạn chế nơi mà bộ lông của chúng giống với màu sắc của bề mặt bên dưới. chim sơn ca sa mạc tắm cát thường xuyên nhằm đảm bảo rằng nó giống với môi trường của nó sống.[67]

Nước và cacbon điôxít là sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất và ôxy hóa chất béo, protein, và các carbohydrat.[68] Việc ôxy hóa 1 gram carbohydrat tạo ra 0,60 gram nước; 1 gram protein sinh ra 0,41 gram nước; và 1 gram chất béo sinh ra 1,07 gram nước,[69] làm cho các loài động vật sa mạc có thể sống mà cần ít hoặc không cần uống nước.[70] chuột túi là một ví dụ về việc sử dụng nước của quá trình trao đổi chất này và bảo tồn nước bằng cách điều khiển tốc độ trao đổi chất thấp cơ bản và vùi mình dưới cát trong cái nóng của ban ngày,[71] làm giảm mất nước qua bộ lông và hệ hô hấp khi chúng nghỉ ngơi.[70][72] Các động vật có vú ăn cỏ lấy ẩm từ thực vật mà chúng ăn. Các loài như addax antelope,[73] dik-dik, Grant's gazelle và oryx sử dụng rất hiệu quả phương pháp này nên chúng không cần uống nước.[74] Lạc đà là một ví dụ tuyệt vời của một động vật có vú thích nghi với cuộc sống sa mạc. Nó giảm thiểu sự mất nước của mình bằng cách sản xuất nước tiểu đậm đặc và phân khô, và có thể mất 40% trọng lượng cơ thể của mình thông qua sự mất nước mà không chết do mất nước.[75] Carnivores can obtain much of their water needs from the body fluids of their prey.[76] Nhiều loài động vật sa mạc nóng khác sống về đêm thì tìm kiếm bóng mát vào ngày hoặc ở trong hang dưới lòng đất. Ở độ sâu hơn 50 cm (20 in), những chúng vẫn duy trì ở mức từ 30 đến 32 °C (86 và 90 F) không phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài.[76] Chuột nhảy, chuột sa mạc, chuột túi và các loài gặm nhấm nhỏ khác ra khỏi hang của chúng vào ban đêm và do đó, làm cáo, chó sói, chó rừng và rắn săn chúng. Chuột túi giữ lạnh bằng cách tăng nhịp hô hấp của chúng, thở hổn hển, tiết mồ hôi và làm ẩm da của chân trước bằng nước bọt của chúng.[77] Động vật có vú sống ở hoang mạc lạnh đã phát triển sự cách nhiệt cao hơn thông qua bộ lông cơ thể ấm hơn và các lớp cách nhiệt bằng mỡ dưới da. Chồn Bắc Cực có tốc độ trao đối chất lớn hơn gấp 2 đến 3 lần so với các loài động vật có vú cùng kích thước. Chim đã tránh được vấn đề mất nhiệt qua đôi chân của mình bằng cách không cố gắng để duy trì nhiệt của chân bằng với nhiệt của các phần còn lại của cơ thể, một dạng cách nhiệt thích nghi.[64] Chim cánh cụt hoàng đế có bộ lông dày, một lớp cách nhiệt (đệm) không khí kế lớp da và nhiều, và các cơ chế nhiệt khác nhau để duy trì nhiệt cơ thể chúng trong một môi trường khắc nghiệt nhất trên Trái Đất.[78]

Là động vật máu lạnh, bò sát không thể sống trong hoang mạc lạnh nhưng rất phù hợp với những hoang mạc nóng. Trong cái nóng ban ngày của sa mạc Sahara, nhiệt độ có thể tăng lên 50 °C (122 °F). Loài bò sát không thể tồn tại ở nhiệt độ này và thằn lằn sẽ bị gục ngã do nhiệt ở 45 °C (113 °F). Chúng ít thích nghi với cuộc sống sa mạc và không thể để làm mát mình bằng cách đổ mồ hôi vì thế chúng cần ẩn nấp tránh cái nắng ban ngày. Trong phần đầu của đêm, khi mặt đất tỏa nhiệt hấp thụ trong ngày, chúng xuất hiện và chuẩn bị săn mồi. Thằn lằn và rắn là nhiều nhất trong các khu vực khô cằn và rắn nhất định đã phát triển một phương pháp di chuyển mới cho phép chúng di chuyển về hai bên và điều hướng các cồn cát cao. Các loài này bao gồm trong chi rắn sừng của châu Phi và Crotalus cerastes của Bắc Mỹ, sự tiến hóa riêng biệt nhưng có các hành vi giống như tiến hóa hội tụ. Nhiều loài bò sát sa mạc là động vật ăn thịt phục kích và thường chôn mình trong cát, chờ đợi con mồi đến trong phạm vi tấn công.[79]

Động vật lưỡng cư có vẻ không phải là cư dân sa mạc, vì chúng cần giữ cho da ẩm và phụ thuộc vào nước cho mục đích sinh sản. Trong thực tế, một số ít loài được tìm thấy trong môi trường sống này đã thực hiện một số sự thích nghi đáng chú ý. Hầu hết trong số đó là fossorial, trải qua những tháng khô nóng ngủ hè trong hang sâu. Trong khi đó chúng lột da nhiều lần và giữ lại các phần da đó xung quanh chúng để làm một lớp không thấm nước như kén để giữ độ ẩm. Trong sa mạc Sonoran, Couch's spadefoot toad dành phần lớn thời gian trong năm ngủ trong hang của nó. Mưa lớn là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện và đầu tiên con đực tìm một cái ao phù hợp kêu gọi thu hút các con khác. Trứng được đẻ và những con nòng nọc phát triển nhanh chóng khi chúng phải đạt đến biến thái hoàn toàn trước khi nước bốc hơi hết. Khi sa mạc khô đi, con cóc trưởng thành lại chôn mình. Các con con ở lại trên bề mặt trong một thời gian, ăn và lớn lên, nhưng ngay sau đó chúng đào dang vùi mình xuống. Một ít trong số chúng có thể đến tuổi trưởng thành.[80] The water holding frog in Australia has a similar life cycle and may aestivate for as long as five years if no rain falls.[81] Desert rain frog của Namibia là loài sống về đêm và tồn tại nhờ vào độ ẩm của sương muối biển từ Đại Tây Dương.[82]

Triops australiensis sống sót qua giai đoạn khô cằn ở dạng trứng, trứng này phát triển nhanh chóng sau cơn mưa.

Động vật không xương sống, đặc biệt là arthropoda, đã thành công khi sống trong hoang mạc. Ruồi, bọ cánh cứng, kiến, mối, locust, millipede, bò cạp và nhện[83] có các lớp biểu bì cứng, không thấp nước và nhiều trong số chúng đẻ trứng dưới mặt đất và con con phát triển khác xa với nhiệt độ cực cao trên mặt đất.[84] Cataglyphis bombycina sử dụng protein chống sóc nhiệt theo một cách mới và kiếm ăn bên ngoài trong một khoảng thời gian rất ngắn trong ngày.[85] Stenocara dentata ở Namibia đứng trên các chân trước của nó và nâng mai của nó để hứng sương mù buổi sáng ở dạng ngưng tụ, rồi chuyển nước vào miệng của nó.[86] Một số loài arthropoda sử dụng các ao tạm hình thành sau cơn mưa và hoàn thành vòng đời của nó trong vài ngày. Tôm sa mạc thực hiện điều này, xuất hiện "một cách kỳ lạ" trong vũng nước mới được hình thành như những quả trứng đang ngủ nở ra. Những loài khác, chẳng hạn như brine shrimp, Anostraca và Notostraca, được ngừng trao đổi chất và có thể mất đến 92% khối lượng cơ thể của chúng, có thể khôi phục nước ngay sau khi trời mưa và hồ tạm thời của chúng xuất hiện trở lại.[87]