水生脊椎動物用鰓進行呼吸，陸生脊椎動物用肺呼吸。陸生脊椎動物是由水生脊椎動物演化而來，因為，很多用肺呼吸的動物，在它們的胚胎發育過程中，尚須經過鰓的階段。雖然鰓和肺的呼吸原理基本相同，都是不斷地吸收氧和呼出二氧化碳。氧和二氧化碳都是氣體，都是通過濕潤的膜交換氣體。但是，鰓適應於在水中交換氣體，而肺適應於在空氣中交換氣體。由於空氣中的含氧量比水中的含氧量大20倍以上，而且氧氣在水中的彌散率很低，所以在水中吸取氧要困難得多。從水生到陸生，呼吸空氣中的氧氣是一個要解決的問題。同樣，一些用肺呼吸的動物重新回到水中去過水中生活的鯨類，無論能屏氣多長時間，但是在水中逗留一段時間後，總要浮至水麵，呼吸空氣中的氧，經換氣後才能再潛入水中。盡管國內外有些人經過訓練，能在水下屏氣較長時間，但最多堅持不到10分鍾，動物要維持生命必須要消耗氧氣，於是血液中的二氧化碳就會逐漸增多，而一些陸生動物對血液中的二氧化碳非常敏感，當二氧化碳達到一定濃度時，就會刺激神經中樞，引起強呼吸，這就是一些陸生動物不能長時間屏氣的道理。人由於某些需要，到水中去進行較長時間的作業，就必須背上氧氣瓶，即使是乘坐潛水器也必須要有氧氣供給裝置，這些供氧器既笨重而且氧氣耗盡必須充氧才能再次下水。人為了能早日研製出較理想的新型供氧器材，就想了解水中動物呼吸的奧妙。
魚生活在水中，是動物中最適應水環境的一大類群。魚鰓在水中呼吸器官中是發展得最好的。魚鰓通常是由鰓瓣組成；鰓瓣是在咽喉兩側的一係列片狀物上麵長有許多鰓絲，鰓瓣與鰓瓣之間的裂口叫鰓裂，每個鰓瓣由前後兩個半鰓組成。軟骨魚每側有9個半鰓。硬骨魚每側有8個半鰓。軟骨魚的鰓裂直接開口於體外；而硬骨魚鰓裂外麵有一個鰓蓋，這樣鰓裂就被保護在鰓腔內，以一個鰓蓋裂口與體外相通。軟骨魚兩個半鰓間有鰓間隔支持，在鰓間隔內緣有半圓形的鰓弧，其向外的一邊有許多紅色細絲，這就是鰓絲。鰓絲上布滿了微血管，氣體交換就在這裏進行。鰓弧向內的一邊，附有許多突起，叫鰓耙，起防止泥沙等物進入鰓內和微小食物的逸出的作用。硬骨魚無鰓間隔，兩個半鰓完全靠攏在一起。鰓絲微血管的膜非常薄，是一種具有選擇性和通透性的生物膜，它能透過氧和二氧化碳，而水不能透過。魚進行呼吸時，先將咽部擴大，鰓蓋和喉頭閉緊，水從口流入後，將口閉合，喉部收縮，水流經鰓進行氣體交換，鰓蓋張開，讓水流出。鰓絲微血管膜的基本結構通常認為是具有疏水性的膜蛋白和不連續的雙層磷脂的鑲嵌結構。在雙層磷脂分子的排列中，膜的中間部分是由磷脂分子的脂肪酸碳氫鏈形成的非極性區，它對水溶性物質起阻隔作用，膜的選擇性輸送是由鑲嵌在膜上“載體”蛋白的作用來完成的。載體蛋白在膜內外兩麵運動，與被運送的物質形成可逆性結合，通過膜的非極性區，再釋放出來。氣體從分壓高的地方向低的地方擴散，氧擴散到微血管內與紅細胞中的血紅蛋白疏鬆地結合成氧合血紅蛋白，隨血液擴散到身體的各個組織細胞去。與之相反，二氧化碳由組織產生，擴散入血管，與血紅蛋白結合，隨血液到鰓排出。當魚塘中氧氣不足時，魚被迫浮至水麵，吞食空氣，叫做“泛塘”，是養魚業大忌，若不及時處理，會造成大批魚的死亡。有些魚有副呼吸器官，如攀鱸鰓上的副鰓腔，腔內有薄片，膜薄而富含微血管，與喉相通，可以輔助呼吸空氣；泥鰍可用腸呼吸；淡水鰻可用皮膚呼吸等。
美國科學家模擬魚鰓，用兩層矽酮橡膠薄膜，製成人工鰓，每層膜僅一萬分之一厘米厚。這種膜隻允許水中的氧通過而將水阻隔在膜外，二氧化碳也能從膜中透過。但是，這種膜要實際應用，目前尚有困難。因為一個人在靜止時，每分鍾至少要吸取250毫升左右的氧氣，要供應一個人一小時的氧，這種膜就得要有2.5平方米那麼大。
美國瑪麗實驗室的科學家研製成一種“人工鰓”叫血海綿。它是一種高聚化合物，能從海水中提取出氧氣。他們將一種血珠蛋白固定在聚氨基甲酸乙酯上，並保持血珠蛋白的生理活性，利用血珠蛋白從海水中不斷地吸取氧氣。據說用這種血海綿製成一隻寬5英尺，長10英尺的供氧器可以供150人用。
有一種水蜘蛛，它和鯨一樣也是由陸生重返水中生活的，因為它的呼吸器官是書肺和氣管。書肺是蛛形綱動物的一大特點，是從腹部體表內陷而成的囊狀構造，內有很薄的書頁狀的突片，是適應空氣呼吸的結構。但是，水蜘蛛卻生活於淡水中，在水下的水草間結鍾形的網，呈囊狀。水蜘蛛腹部密生茸毛，不易浸濕，在潛水前先將水麵空氣在茸毛間形成氣泡，然後帶入網內，以供呼吸。水蜘蛛的這種潛水本領引起人們極大的興趣。經過研究，發現如果能在水下營造一個空囊，水中氧氣就會逐漸充滿這個空間。於是科學家用矽酮橡膠薄膜在水下建造一個空間，使水中的氧慢慢充入。經試驗每平方米每分鍾可透入10毫升的溶解氧。如果能提高溶解氧的透入量，就可望解決人的水下呼吸問題。