L’ornithorynque est un mammifère de petite taille, mesurant de 30 à 60 cm de long. Il est doté d’une queue aplatie de 10 à 15 cm. Ses pattes sont palmées. Corps et queue sont couverts d’une fourrure dense, douce et laineuse, d’où dépassent de longs poils plats.
Le museau caractéristique de l’ornithorynque est aplati (6 cm de long pour 5 cm de large environ) et couvert d’une peau coriace munie de nombreuses terminaisons sensitives. Rappelant un bec de canard (ornithorynque vient du grec ornithos, « oiseau » et rhunkos, « bec »), il sert à l’animal à fouiller la vase du fond des rivières et à détecter les petits animaux dont il se nourrit (insectes, vers et coquillages).
L’ornithorynque ne possède pas de cou apparent. Ses yeux sont petits et il n’a pas d’oreille externe, mais sa vue et son ouïe sont fines. Les jeunes possèdent des dents rudimentaires qui sont remplacées, chez les adultes, par quelques plaques cornées.
Les mâles adultes sont munis, sur la face intérieure des pattes arrière, d’un éperon creux et corné relié à une glande sécrétrice de venin
. Cet éperon peut leur servir à se défendre. Le cri de l’ornithorynque est un grognement grave.
Chez ces mammifères primitifs, les voies génitales, urinaires et anales s’ouvrent au niveau d’un orifice unique, le cloaque. Avec les échidnés, les ornithorynques sont les seuls mammifères à pondre des œufs. Cependant, comme chez les autres mammifères, la femelle allaite ses petits.
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