A pesar de su relativamente pequeño tamaño y de que posee una única entrada de agua del océano, es uno de los mares más ricos en biodiversidad. Además, se trata de uno de los mares más estudiados del mundo, nombrado “el acuario del mundo” por el famoso oceanógrafo Jacques Cousteau. En números aproximados, se estima que alberga cerca de 700-900 especies de peces (90 de ellas endémicas), más de 170 especies de aves marinas y casi un tercio de las especies de mamíferos marinos del mundo. En adición, unas 5 especies de tortugas anidan o buscan alimento en sus costas.
En el mar de Cortés es posible encontrar vaquitas marinas (Phocoena sinus), tortugas laúd (Dermochelys coriacea), tortugas verdes (Chelonia mydas), bonitos (Katsuwonus pelamis), tiburones ballena (Rhincodon typus), sardinas, camarones, calamares gigantes, orcas (Orcinus orca), ballenas jorobadas, cachalotes (Physeter macrocephalus), pulpos californianos de dos manchas (Octopus bimaculoides), tortugas prietas (Chelonia agassizi),ranisapos (Antennarius avalonis), caballitos del Pacífico (Hippocampus ingens), totoabas (Cynoscion macdonaldi), tortugas carey (Eretmochelys imbricata), tortugas oliváceas (Lepidochelys olivacea), gaviotas californianas (Larus californicus) y tortugas caguamas(Caretta caretta), entre muchas otras especies.
En cuanto a flora, el mar y las costas son únicos. Bajo la superficie del agua se hallan bellos arrecifes de coral, plancton y algas macroscópicas. Se calcula que alberga unas 62 especies de algas microscópicas y 626 tipos de macroalgas. En tierra, los escenarios muestran un raro contraste entre vegetación común en los desiertos y manglares, arena y sal. Unas 695 especies de plantas vasculares encuentran ahí su refugio.
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