Il dugongo ha una struttura fisica tozza e compatta che gli ha fatto guadagnare il popolare soprannome di "mucca di mare"; in questo sirenio, infatti, una pinna caudale orizzontale divisa in due lobi simile a quella dei cetacei si associa ad un corpo estremamente massiccio provvisto di due ghiandole mammarie toraciche e di due grosse pinne anteriori appiattite, a forma di spatola. Queste ultime hanno una doppia funzione: esse servono sia da mezzo di propulsione per la locomozione e servono anche all'animale per girare. Anche la testa ha una forma insolita, caratterizzata da minuscoli occhi e orecchie e da un grosso paio di spesse "labbra": mentre i primi sono però fattori propri di molti mammiferi marini (si pensi alla balena o all'orca), il secondo è posseduto solo da questa specie, ed è dovuto alla sua particolare dieta.

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