大约在2.6亿年前，一些哺乳动物再次返回海洋，它们可能都是食肉动物和有蹄类动物的后代。一些科学家认为海生哺乳动物的史前先祖是水獭，其他一些科学家则认为是熊。不论它们的先祖是谁，这些哺乳动物还是基本上适应了海洋生活：身体逐渐变长，足变成蹼，并缩短成为鳍。然而它们还是保留了哺乳动物的基本特点：有毛和乳腺，并有恒定的体温。海生哺乳动物主要分为两类：鳍足动物（海豹、海象和海狮）和鲸类动物（鲸和海豚）。
白鳍豚
鳍足动物是肉食动物的后裔，以鱼类为食，有时也吃墨鱼、鱿鱼和章鱼。它们的水性不如鲸类动物，不在水中生幼仔。一些鳍足动物照顾幼仔的时间非常短，在幼仔出生３周之后母亲就会离开，让它们独立练习游泳和猎食。鳍足动物的四肢是像刀片似的鳍状肢，由长长的趾骨支撑。鳍足动物过着群居生活。海豹有19种，其中包括格陵兰（或称爱尔兰）海豹，它们主要生活在气候恶劣的南极和北极。象海豹是一种巨型海豹，身长6.5米，重达3吨。雄性海豹将许多雌性海豹聚在一起，作为它的后宫。海象是一种大型鳍足动物，与海狮是近亲，并有两颗门牙长成成长牙。海狮在陆地上用四肢爬行要比海豹快，并且长有与海豹不同的外耳。在南半球，海狮很多，而在北太平海洋中却极少。在繁殖季节，海狮聚集成群。鳍足动物几乎在各个海洋都有分布，但由于人类大量捕猎以获取它们的皮及脂肪，有些种已濒临灭绝，例如地中海海域的僧海豹几乎已完全灭绝。
海豹
白鳍豚属鲸目，淡水豚总科，仅分布于长江中下游，是中国独有的珍稀水生哺乳动物，已有2000多万年进化史，素有“活化石”之称。早在两千多年前的汉代文献中，中国人民已对白鳍豚的形态和行为作了相当准确的描叙。在历史的长河中，白鳍豚又被长江两岸人民赋予了种种神秘的传奇色彩，成为人们心目中的长江女神。
鲸鱼
鲸类动物是史前有蹄动物的一支，后来返回海洋中，现在它们反而不能在陆地上生活了。它们交配、生殖以及照顾幼仔都在水中进行。鲸类动物中有世界上最大的动物━━蓝鲸，成年蓝鲸长达35米，重150吨。所有鲸类都有一个锥形身体，尾部有水平的尾鳍（尾巴），后腿已完全退化，前腿则已进化为鳍，鼻孔在头顶，体内废气则由叫喷水孔的开口排出。鲸类动物可潜至数百米深处，并能屏气达１小时之多。有些鲸类能发出超声波，进行互相交流和探测猎物。鲸类动物可分为两个主要类群：须鲸亚目及齿鲸亚目。须鲸亚目包括座头鲸和温鲸，它们没有牙齿，但有角质牙床，或称鲸须，用以滤过海水，筛选出鱼虾，齿鲸亚目有海豚科（包括逆戟鲸）、钩嘴鲸和抹香鲸，它们都有几十个同样的圆锥形齿，用以猎食鱿鱼等鱼类，在各大洋中均有生存，还有一些种生活在淡水中。海豚科有40多个种，喜欢群居生活并用语言互相交流，科学家们正在努力破译这些语言。海豚是社会性动物，会帮助受伤或生病的同伴。抹香鲸可潜至1000米深处去捕捉大鱿鱼，消化后的残渣逐渐积在胃里，会形成龙涎香，在香水工业中广泛使用。
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