海洋哺乳动物利用行为和生理反应来维持冷水中的核心体温。典型的行为反应是迁移。例如，怀孕的露脊鲸在冬天从加拿大，新英格兰和美国的沿海水域迁徙到佐治亚和佛罗里达州沿海的温暖水域去分娩。
但是，巨大的体型是一种生理适应反应，大多数海洋哺乳动物都是如此，这意味着体表面积与体积的比例相对较低。(随着三维物体的增加，物体体积的增长率大于表面积的增长率。因为皮肤是与外界环境进行热量交换的地方，大型哺乳动物的皮肤面积越小，越能有效地保持身体热量。
海洋哺乳动物也有毛发或动物脂，或者两者都有，所以它们有极好的隔热能力。在所有已知的哺乳动物中，海獭的毛皮密度最高，每平方厘米表皮有13万根毛发。干燥状态下的毛发隔热效果最好，因为它们可以在皮肤表面截留一层空气，空气是很好的绝缘体。相比之下，水是高效的导热体。在相同的温度下，水从身体带走热量的速度是空气的25倍。海獭毛发浓密，即使潜入水中，也能在海獭的皮肤表面捕捉到一层空气
大多数生活在水中的哺乳动物更依赖海洋脂肪。这是一个特殊的皮肤层，除了脂肪，还含有胶原蛋白和弹性蛋白。它的隔热和储能能力比人体脂肪强得多。动物体内脂肪的含量不同。新生江豚积累的脂肪是海洋动物中最高的，约占总重量的43%。
在某些情况下，营养不良或健康状况不佳的海洋哺乳动物很难在数量和质量上维持正常的海洋脂肪供应，因此它们可能会在极端温度环境中死亡。换句话说，如果把它们带出自然栖息地，它们可能会在一些不适合它们生存的环境压力下死亡。
与其他哺乳动物的皮肤一样，海洋哺乳动物的皮肤由温度敏感神经元主导。这些特殊的动物必须有感知温度的能力。他们对温度刺激有明显的反应，但对传递的刺激有什么感受呢？比如3354，他们会不会觉得不舒服？但是这是一个很难回答的问题。
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