鯨類必須在露出水面的極短時間內，呼吸潛水時所需的氧氣。鯨類呼吸的頻率較陸生哺乳類少，但呼吸較深，且獲得較多氧來補償，同時牠們在每次呼吸時，交換較多的肺部空氣。在潛水前吸進空氣，使得肺部脹大，但鯨如何能在水底待這麼久呢﹖
為回答此問題，我們首先要檢查牠們的呼吸系統。其呼吸系統有一些不尋常的外貌，為避免水進入呼吸道，鼻道是複雜的旋繞狀，其咽(呼吸道上端)延伸到鼻腔，而非開口於喉。
但鯨是否有較大的肺腔呢?就比例上，鯨的肺不明顯大於陸哺乳類，甚至肺的體積較小於陸生的哺乳類。更令人驚訝的是，最會潛水的鯨有較小的肺。明顯的，肺的體積並不能解釋為何鯨能在一次呼吸中，儲存足夠的氧，維持數小時的潛水。
鯨類為增加氧氣的儲存能力，並非由擴大肺的容積，而是改變循環系統及肌肉的化學成分。
鯨類的血液佔體重的10-15％，而人類則只有7％，更重要的是，負責運送氧的血球細胞──紅血球，也比較多。血中血紅素的濃度是高於陸生哺乳類，這增加了血液攜氧的量。
血紅素同時亦出現在肌肉，通常被稱為肌紅蛋白，其對氧的親和力大於血紅素，故血所帶的氧可迅速地移到肌肉。肌紅素在鯨類亦比陸生哺乳類多，且濃度較高，這也使肌肉顏色特別的深。
即使如此，我們把所有儲存在海豚的氧加起來，這包括肺內的氧，血中的氧及肌肉儲存，然後分解這些氧，以休息代謝率來計算，尚不夠維持其在水底的時間。顯然有其他機制在潛水時運作，或可能無氧時，動物能快速的運動。
1870年，法國的生理學加保羅‧勃特，描述了一個心跳極慢的現象，或可稱bradycardia。這是鴨潛水時的一個現象。這種"潛水bradycardia"是潛水動物最可能的新血管反應。觀察者發現，瓶鼻海豚其心跳會隨著呼吸而持續波動，當海豚潛到水中時，心跳維持在33-45次∕分鐘。但當呼吸時，心跳增加至80-90次∕分鐘。而潛水越久，呼吸時心跳的增加越多。
在許多動物的潛水bradycardia，常伴隨血液的再分布，使的只有重要的器官有含氧血的供給，血流到重要器官如腦及心臟，在潛水時乃持續供給。然而，供應其他器官的血管，如胃、腸、腎及肌肉，可能會被壓縮到無血流通過，而大量的血則存在腹腔及胸腔的靜脈(會變大成為血竇)。
相似的機制，亦可能在鯨類運作，雖然只有極少的實驗證據，因此種實驗是很難進行的，當然鯨的體腔中，靜脈是大且可擴張的，這指出在潛水時，血流的重新分布是會發生的。靜脈的膨脹有另一種好處，及填充潛水時，肺中空氣被壓縮所空出的體積。
動物運動和維持生命所需的能量，是從分解肝醣而來的，這通常是鯨有氧的途徑，這時會產生CO2和無毒的殘餘物，而呼吸系統的功能，即為供應血液氧而排出二氧化碳。
當氧不足的時候，不能完全分解肝醣─如潛水的動物─的反應，則中間過程時被打斷，產生有毒的乳酸，即所謂無氧代謝。在這種狀況下，動物就負了"氧債"，只有當回到表面呼吸時，氧儲存補充才能恢復。
在鯨類，似乎能吸收足夠的O2，使潛水時，大部分是有氧的代謝，而最重要的是，增加儲存及運輸O2的能力。
然而，在這樣長的潛水期中，至少有一此組織會用盡其存氧，改用無氧代謝供能。這暗示在深水期的後期，鯨類能勉強有足夠的氧維持心臟活動，而甚至腦部，也可能進行一些無氧代謝。
※ 本文轉載自：海的巨人與精靈