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鲸和海豚等海洋哺乳动物终生都生活在海洋中。它们有两种基本的睡觉方法：要么身体以垂直或水平状态静静地停留在水中，要么一边睡觉一边在同类身旁缓慢地游动。
睡觉的时候，海豚的大脑只有一侧停止活动，相反一侧的眼睛也开始休息。另一侧大脑则保持清醒，但警觉度较低。这一侧大脑对何时需要浮上水面呼吸新鲜空气发出信号。大约两小时后，海豚会交换左右两侧大脑承担的任务，清醒的一侧大脑开始休息，另一侧已经休息了两小时的大脑则被唤醒。
为了避免在睡眠过程中溺水，海洋哺乳动物保持对其呼吸孔的控制是至关重要的。尽管关于这一点还有争论，但大多数研究人员认为海豚或鲸必须保持清醒和警觉才能识别出它的呼吸孔是否在水面以上。
海洋哺乳动物还有其他一些方法，可以让它们比其他种类的哺乳动物屏住呼吸的时间更长。海洋哺乳动物的肺可以吸入更多的空气，因为它们的肺按其占身体的比例来说比人的肺大。此外，它们每次吸气和呼气时可以交换更多的氧气，它们的红血球也具有更强的携带氧气的能力。潜水的时候，海洋哺乳动物的血液只流向身体需要氧气的部分--心脏、大脑和与游泳有关的肌肉。最后，海洋哺乳动物对碳氧化物有更强的忍耐能力。
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