Os sistema muscular e esquelético são os responsáveis pelos movimentos dos
mamíferos. A propulsão nos mamíferos marinhos é feita através de movimentos das
nadadeiras pares (pinípedes e lontras-marinhas) ou movimentos verticais da nadadeira
caudal (cetáceos e sirênios).
Apesar de se basear nas nadadeiras, a movimentação dos pinípedes é feita
diferentemente entre os otarídeos e focídeos. Os otarídeos se valem das nadadeiras
dianteiras enquanto que focídeos e odobenídeos utilizam as traseiras. Devido à
impossibilidade de rodar as nadadeiras traseiras para frente, os focídeos se locomovem em
terra por ondulações do corpo (ondulação sagital), enquanto que os otarídeos e
odobenídeos utilizam uma locomoção ambulatorial.
Os cetáceos arcaicos possuíam uma pélvis bem desenvolvida e membros traseiros,
podendo provavelmente andar em terra. Cetáceos mais divergentes apresentavam os
membros traseiros reduzidos e vértebras sacrais com grandes processos, o que indicava
que a ondulação caudal estava desenvolvida.
O crânio dos cetáceos difere do crânio típico dos mamíferos, devido ao processo de
telescopia, o resultado da migração das narinas externas para uma posição dorsal do
crânio. Já o crânio dos sirênios se distingue por uma pré-maxila virada para baixo, resultado
de uma adaptação para a alimentação bentônica. Os sirênios também são caracterizados
por apresentarem paquiostose, que auxilia no controle da flutuabilidade.
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