Les pingouins doivent plonger sous l'eau pour attraper leur nourriture dans l'océan. Cependant, les manchots ont besoin d'oxygène pour respirer sous l'eau. Pour la plupart des espèces de manchots, la plongée sous-marine moyenne dure 6 minutes, car la plupart de leurs proies résident dans les niveaux d'eau supérieurs. Cependant, le manchot empereur se nourrit de calmars, de poissons ou de krill qui résident profondément sous l'eau, de sorte que cette espèce de manchot peut retenir son souffle jusqu'à 20 minutes. Les manchots empereurs sont également connus pour plonger jusqu'à 1 800 pieds pour trouver leur proie. Une autre espèce, la Gentoo, est connue pour plonger jusqu'à 500 pieds. Contrairement aux phoques, les manchots sont relativement petits, de sorte que leurs poumons ne peuvent contenir qu'une quantité limitée d'oxygène. En outre, la compression sous-marine affecte les poumons et les sacs aériens des pingouins. Ces voies respiratoires cruciales ne peuvent fournir que 1/3 de l'oxygène nécessaire à chaque plongée.
Des recherches menées sur des manchots sauvages en Antarctique montrent des adaptations surprenantes dans le sang et les tissus musculaires du manchot pour augmenter l'oxygène lors d'une plongée sous-marine. Ces manchots étaient équipés de capteurs spéciaux pour surveiller leur niveau d'air. Contrairement aux humains, l'hémoglobine ultra-sensible présente dans les globules rouges des manchots permet aux manchots d'utiliser efficacement chaque dernière molécule d'oxygène dans leur système pour la plongée. Le sang est envoyé principalement au cœur, au cerveau et à d'autres organes importants. L'hémoglobine des manchots est si efficace que les manchots peuvent continuer à plonger alors que d'autres animaux souffriraient de graves lésions tissulaires. De plus, les tissus musculaires du pingouin l'aident également à respirer efficacement sous l'eau. Les tissus musculaires d'un pingouin peuvent également stocker de l'oxygène supplémentaire en utilisant de grandes quantités de myoglobine, une protéine sanguine. De plus, une enzyme spéciale permet aux muscles du pingouin de fonctionner sans la présence d'oxygène tout en neutralisant l'accumulation d'acide lactique. Lorsque les pingouins atteignent la surface et retrouvent une respiration normale, ils peuvent alors expulser cette accumulation d'acide lactique. Pour économiser davantage sur la consommation d'oxygène, les pingouins peuvent abaisser leur fréquence cardiaque à cinq battements par minute. En utilisant moins d'énergie, ces oiseaux peuvent prolonger leur temps de plongée sous l'eau.
Les manchots nagent plus efficacement dans des niveaux d'eau plus profonds, mais il peut parfois être nécessaire de nager à la surface de l'eau. Certaines espèces de manchots utilisent une technique de respiration et de nage appelée marsouinage, du nom des marsouins et des dauphins. Les oiseaux montent pour respirer, puis inspirent et expirent rapidement. Ils commencent alors à respirer sans interrompre leur mouvement vers l'avant. Ils sautent dans et hors de l'eau. Les pingouins peuvent maintenir une vitesse allant jusqu'à 6 mph tout en marsouinant. Cependant, cette technique de marsouinage n'est généralement pas observée chez les manchots royaux ou empereurs.
