동물과 식물이 물을 획득하는 방법

육상 식물과 동물은 물 손실에 대하여 물 획득으로 균형을 맞춤으로써 내부의 물을 조절한다. 생물들이 육상 환경으로 이동했을 때, 그들은 두 가지 중요한 환경적 도전에 직면했다. 하나는 증발을 통해 주변 환경으로 대량의 물 손실이 일어날 수 있다는 것이며, 다른 하나는 대체할 물에 대한 접근성이 감소할 수 있다는 것이다. 많은 적응체계를 통해 육상 생물들은 이런 도전에 대응할 수 있게 되었고 그들 내부의 물의 양을 조절하는 능력을 획득하였다. 

많은 작은 육상 동물들은 공기로부터 물을 흡수할 수 있다. 그러나 대부분의 육상 동물들은 직접 물을 마시거나 음식과 함께 물을 섭취해서 물 요구를 충족시킨다. 일반적으로 습한 기후에서는 물이 충분하다. 만약 물이 부족하게 되면, 대부분의 동물은 물을 마실 수 있는 장소로 이동한다. 사막에서 많은 물이 필요한 동물들은 오아시스 근처에서 살아야만 한다. 오아시스로부터 멀리 떨어진 사막에서 홀로 사는 동물들은 건조한 환경에서 살기 위해 적응하였다. 일부 사막 동물들은 별난 방법으로 물을 얻는다. 남서부 아프리카의 나미브 사막과 같은 사막의 바닷가에는 비가 거의 오지 않지만 안개가 많이 낀다. 이 공기에 포함된 수분은 나미브 사막에 사는 일부 동물들이 사용하는 물의 원천이 된다. 이 중의 하나는, 거저리과 속 Lepidochora의 딱정벌레로 물을 획득하기 위해 교묘한 방법을 사용한다. 이 딱정벌레는 안개를 응축시키고 접적 시키기 위해 모래 언덕의 표면 위에 굴을 판다. 이 굴에 모인 수분은 딱정벌레가 물을 마시기 위해 기다리는 아래 끝으로 흘러 내려간다. 거저리과의 다른 딱정벌레인 Onymacris unguicularis는 자기 복부를 위쪽으로 향하게 해서 수분을 모은다. 이 딱정벌레의 몸 위에서 응축된 안개는 딱정벌레의 입으로 흘러 내려간다. Onymacris는 또한 자기 먹이와 함께 물을 섭취한다. 먹이의 조직 내부에는 딱정벌레가 이용할 수 있는 물이 포함되어 있다. 나머지 물은 딱정벌레가 먹이의 탄수화물, 단백질, 지방을 대사 시킬 때 생성된다. 세포호흡은 광합성 과정 동안 이산화탄소에 결합한 물을 유리시킨다. 세포호흡 동안 방출된 물을 대사수라 한다. 쿠퍼는 고바베브 근처 나미브 사막에서 자유 생활하는 Onymacris의 물 수지를 측정했다. 그는 이 딱정벌레에 의해 섭취된 물은 하루에 몸무게 1g당 49.9mg이 됨을 알아냈다. 이 중 39.8g은 안개로부터 왔고, 1.7mg은 먹이에 포함된 수분에서 왔고, 8.4mg은 대사수로부터 왔다. 이 딱정벌레는 1g당 하루에 물 41.3mg을 잃었으며 이는 물 섭취량보다 조금 적었다. 이 중 2.3mg은 대변과 소변으로 잃은 것이고, 39mg은 증발에 의한 것이다. Onymacris가 안개로부터 대부분의 물을 얻지만, 다른 작은 사막 동물들은 먹이로부터 대부분의 물을 얻었다. Heteromyidae과 Dipodomys속의 캥거루쥐는 전혀 물을 마시지 않고 전적으로 대사수에만 의지해서 생존할 수 있다. 슈미트-닐슨은 메리암 캥거루쥐가 100g의 보리로부터 대략 60mL의 대사수를 얻으며, 이 대사수는 100g의 곡식이 대사 되는 동안 대변, 소변, 증발로 손실된다는 것을 보여주었다. 100g의 보리에는 6mL의 흡수수만이 있고, 그 물 또한 건조에 의해 빠져나올 수 있다. 나머지 54mL의 물은 동물이 곡물 속의 탄수화물, 지방 단백질을 대사 하면서 생성된 것이다. 일반적으로 동물들이 대부분의 물을 직접 마시거나 먹이와 함께 얻지만, 식물들은 이런 선택이 불가능하다. 비록 많은 식물이 공기로부터 약간의 물을 흡수할 수 있더라도, 대부분은 토양으로부터 뿌리를 통해 물을 얻는다.

식물의 뿌리 발달 정도에 따라 종종 물 이용도에 차이가 난다. 서로 다른 기후에서 뿌리계를 연구한 결과는 건조한 기후의 식물들이 습한 기후의 식물들보다 뿌리가 더 많이 자라는 것을 보여준다. 건조한 기후에서 식물 뿌리는 토양 속 깊은 곳까지 자라는 경향이 있어 식물 생물량의 많은 부분을 차지한다. 어떤 사막 관목의 곧은 뿌리는 토양 속으로 9m 또는 심지어 30m까지 깊게 뻗을 수 있어 이 식물은 깊은 지하수를 이용할 수 있다. 뿌리는 사막이나 반건조 기후의 초원에서 전체 식물 생물량의 90%에 달할 것으로 추정된다. 침엽수림에서 뿌리는 전체 식물 생물량의 대략 25%만을 구성한다. 숲과 사막을 비교할 필요는 없지만 뿌리 발달의 차이를 측정하기 위해서 코울팬드와 존슨은 캐나다 서쪽의 온대 초원에서 자라는 식물의 뿌리 특징을 비교했다. 그들은 연구기간 동안 850개 이상의 식물 뿌리를 조심스럽게 팠으며 어떤 뿌리를 추적하기 위해서 3m 이상 깊게 파기도 했다. 그들은 많은 초원종의 뿌리 발달에 미기후가 영향을 미친다는 것을 알아냈다. 예를 들어 술 장식 쑥의 뿌리는 건조한 지역에서는 토양 속 120cm 이상까지 깊이 들어갔으나 습한 지역에서는 대략 60cm의 깊이까지만 자랐다. 더 깊은 뿌리는 토양층 내부의 깊은 곳에서부터 물을 끌어낼 수 있어 종종 건조한 환경에서 식물을 잘 자라게 한다. 이런 일반화는 일본에서 자라는 두 가지 흔한 풀인 바랭이 속 식물과 왕바랭이에 대한 연구에 의해 지지되었다. 일본에서 이 두 식물의 분포는 겹쳐 있으나 바랭이 속 식물만이 일본에서 가장 건조한 서식지인 해안 모래언덕에서 자란다. 쉔크와 잭슨은 세계의 209 지역에서 뿌리 모습을 연구한 475개 연구 결과를 분석했다. 이 많은 양의 분석에 기초하여, 쉔크와 잭슨은 다음과 같은 결론에 도달했다. 475개의 뿌리 모습 중 90% 이상에서 적어도 뿌리의 50%가 토양 깊이 0.3m 이내에 있고 적어도 뿌리의 95%는 깊이 2m 이내에 있었다. 그러나 그들은 또한 뿌리 깊이에 있어서 중요한 지리적 차이를 발견했다. 쉔크와 잭슨은 위도 80도부터 30도까지, 즉 툰드라에서 지중해성 산림과 관목림 그리고 사막까지 뿌리의 깊이가 점차 증가한다는 것을 발견했다. 그러나 열대에서 뿌리의 깊이는 어떤 명확한 경향성이 나타나지 않았다. 앞에서 논의한 것처럼 쉔크와 잭슨은 주로 물이 제한되는 생태계에서 뿌리의 깊이가 깊어진다는 것을 발견했다.