Дыхание, то есть обмен газами кислородом и углекислым газом, у человека и рыб имеет две фазы, а не одну, как у одноклеточных организмов. В одноклеточных формах обмен происходит непосредственно путем диффузии на поверхности клетки, в многоклеточных - одни клетки доставляют кислород другим и удаляют их газообразные отходы. Весь процесс происходит в два этапа: (1) внешнее дыхание - обмен газами между внешней средой, будь то вода или воздух, и циркулирующей жидкостью организма; и (2) внутреннее дыхание - обмен между клетками тканей и циркулирующей жидкостью путем простой диффузии, как в одноклеточном организме. Лавуазье, открывший кислород и его роль в организме, назвал внешнюю фазу первичным, а внутреннюю - вторичным дыханием.
Рыбы и человек различаются по органам внешнего дыхания. Жабры рыб представляют собой большую поверхность, хорошо снабженную кровью, через которую постоянно проходит вода, в то время как кровь забирает из воды кислород и отдает углекислый газ из клеток тканей. Легкие содержат многочисленные воздушные мешки, в которых обновление воздуха происходит за счет дыхательных движений, а кровь быстро циркулирует прямо под поверхностью мешков, через которые она забирает кислород из воздуха и отдает углекислый газ, поглощенный ею в процессе внутреннего дыхания.
Переход от воды к суше происходил не сразу, а постепенными этапами, которые сегодня представлены различными амфибиями, живущими, как следует из их названия, и в воде, и на суше. Одни живут в иле и способны дышать водой или воздухом в зависимости от необходимости, с помощью жабр, рудиментарных легких или специальных приспособлений кожи. Другие, такие как жаба и лягушка, ведут раннюю головастиковую жизнь в воде, подобно рыбам, а когда становятся взрослыми, теряют жабры и хвост и приобретают легкие и ноги.
В реальном смысле живой организм никогда не теряет зависимости от воды в своих важнейших жизненных процессах, и как бы далеко от воды ни находилось животное или растение, оно носит в себе свою старую водную среду в виде тканевых жидкостей, без которых отдельные клетки не могут жить. Около 70 процентов человеческого тела составляет вода, и любое отклонение от этой пропорции приводит к серьезным последствиям.
Аппараты для передвижения и для дыхания, появившиеся одновременно в расовом плане с выходом позвоночных на сушу, продолжают быть тесно связанными в развитии отдельных организмов и в их функциях. Они тесно связаны между собой механическими и нервными связями между придаточными и дыхательными структурами, а также между ними и сердечно-сосудистой системой, по которой кровь поступает от сердца к легким для проветривания и обратно к сердцу с кислородом. У человека те части скелета и мускулатуры, которые поддерживают изгибы позвоночника и выпрямленное положение туловища, наиболее тесно связаны с костными и мышечными частями, участвующими в дыхании.
Сухопутным существам пришлось не только научиться дышать воздухом вместо воды, но и поддерживать свой вес над землей. Это означало приспособление к уменьшенному давлению сверху и с боков, а также противостояние нисходящей силе тяжести через собственные ткани, которые также должны были выдерживать восходящее давление со стороны земли. Это потребовало развития конечностей и скелета другого типа, или твердой опорной структуры. Конечности наземных позвоночных развились из специальных мясистых плавников, выросших у рыб, которые научились выходить на берег и передвигаться в иле. Эти рыбы назывались "лопастеперыми" и были современниками "легочных рыб", которые приобрели самый ранний тип дыхательных легких, из которых, как предполагается, развились более поздние формы.