علم وظائف أعضاء الأسماك
التنفس

الخياشيم داخل رأس التونة. الرأس لأسفل باتجاه الأنف، والمنظر باتجاه الفم. على اليمين الخياشيم المنفصلة.
تتبادل معظم الأسماك الغازات باستخدام الخياشيم الموجودة على جانبي البلعوم (الحلق). الخياشيم هي أنسجة تتكون من هياكل تشبه الخيوط تسمى خيوط البروتين. لهذه الخيوط وظائف عديدة و "تشارك في نقل الأيونات والماء وكذلك تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والحمض والأمونيا. يحتوي كل خيط على شبكة من الشعيرات توفر مساحة سطح كبيرة لتبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. تتبادل الأسماك الغازات عن طريق سحب الماء الغني بالأكسجين عبر أفواهها وضخه فوق خياشيمها. في بعض الأسماك، يتدفق الدم الشعري في الاتجاه المعاكس للماء، مما يتسبب في تبادل التيار المعاكس . تدفع الخياشيم المياه الفقيرة بالأكسجين للخارج عبر فتحات في جانبي البلعوم.
الأسماك من مجموعات متعددة يمكنها العيش خارج الماء لفترات زمنية طويلة. الأسماك البرمائية  مثل سمكة نطاط الطين يمكنها العيش والتحرك على اليابسة لعدة أيام، أو تعيش في مياه راكدة أو ناقصة الأكسجين. يمكن للعديد من هذه الأسماك تنفس الهواء من خلال مجموعة متنوعة من الآليات. يمكن أن يمتص جلد ثعابين البحر الأنقليس الأكسجين بشكل مباشر. قد يتنفس تجويف الفم لثعبان البحر الكهربائي  الهواء. تقوم أسماك السلوريات من عائلات أسماك مصفحةوأسماك القط المدرعة وسكولوباسيداي  بامتصاص الهواء من خلال الجهاز الهضمي. تمتلك الأسماك الرئوية، باستثناء السمكة الرئوية الأسترالية، وكثيرات الزعانف مقترنتين تشبه رئات رباعيات الأطراف ويجب أن تطفو على السطح لابتلاع الهواء النقي من الفم وتمرير الهواء المستهلك عبر الخياشيم. يمتلك سمك الرمح وسمكة آمية ملساء مثانة سباحة وعائية تعمل بنفس الطريقة. تتنفس أسماك شبوطيات الشكل وسمك الترايرا والعديد من أسماك السلور عن طريق تمرير الهواء عبر الأمعاء. يتنفس النطاط الطيني عن طريق امتصاص الأكسجين عبر الجلد (مثل الضفادع). طور عدد من الأسماك ما يسمى بأعضاء التنفس الإضافية التي تستخلص الأكسجين من الهواء. تمتلك أسماك المتاهة (مثل جورامية و سمكة البيتا ) عضو متاهة فوق الخياشيم يقوم بهذه الوظيفة. تمتلك بعض الأسماك الأخرى هياكل تشبه أعضاء المتاهة في الشكل والوظيفة، وأبرزها أسماك الشنات وجورامي جميل وعائلة أسماك السلور المتنفسة للهواء.
يستفيد التنفس الهوائي بشكل أساسي من الأسماك التي تعيش في مياه ضحلة ومتغيرة موسمياً حيث قد يقل تركيز الأكسجين في الماء موسمياً. الأسماك التي تعتمد فقط على الأكسجين المذاب، مثل سمك الفرخ والبلطي، تختنق بسرعة، بينما تعيش الأسماك التي تتنفس الهواء لفترة أطول، وفي بعض الحالات تعيش في مياه لا تزيد عن الطين الرطب. وفي الحالات الأكثر تطرفًا، يمكن لبعض الأسماك التي تتنفس الهواء البقاء على قيد الحياة في جحور رطبة لأسابيع بدون ماء، حيث تدخل في حالة سبات صيفي حتى يعود الماء.
يمكن تقسيم الأسماك التي تتنفس الهواء إلى أسماك تتنفس الهواء بشكل إجباري وأخرى تتنفس الهواء بشكل اختياري. الأسماك التي تتنفس الهواء بشكل إجباري، مثل سمكة السلمون الأفريقي، مجبرة على تنفس الهواء بشكل دوري وإلا فإنها تختنق. أما الأسماك التي تتنفس الهواء بشكل اختياري، مثل سمك البلاكستومس، فإنها تتنفس الهواء فقط عند الحاجة ويمكنها الاعتماد على خياشيمها للحصول على الأكسجين. معظم الأسماك التي تتنفس الهواء هي أسماك تتنفس الهواء بشكل اختياري تتجنب التكلفة النشطة للصعود إلى السطح وتجنب مخاطر التعرض للحيوانات المفترسة السطحية.
جميع الفقاريات القاعدية تتنفس بالخياشيم. توجد الخياشيم خلف الرأس مباشرة، وتحد الحواف الخلفية لسلسلة من الفتحات الموصلة بين المريء والعالم الخارجي. يُدعم كل خيشوم بقوس خيشومي غضروفي أو عظمي. تتطور خياشيم الفقاريات بشكل عام في جدران البلعوم، على طول سلسلة من شقوق الخياشيم المفتوحة للخارج. تستخدم معظم الأنواع نظام تبادل مضاد للتيار لتعزيز انتشار المواد داخل وخارج الخيشوم، حيث يتدفق الدم والماء في اتجاهين متعاكسين، مما يزيد من كفاءة امتصاص الأكسجين من الماء. يتم "ضخ" المياه المؤكسجة العذبة التي يتم أخذها من الفم بشكل مستمر عبر الخياشيم في اتجاه واحد، بينما يتدفق الدم في الصفيحات في الاتجاه المقابل، مما يخلق تدفقًا مضادًا للتيار للدم والماء يعتمد عليه بقاء الأسماك.
تتكون الخياشيم من خيوط تشبه الأمشاط، وهي صفائح الخياشيم، التي تساعد على زيادة مساحة سطحها لتبادل الأكسجين. عندما تتنفس السمكة، فإنها تسحب فماً مليئاً بالماء على فترات منتظمة. ثم تقوم بسحب جانبي حلقها معًا، مجبرة الماء على المرور عبر فتحات الخياشيم، بحيث يمر فوق الخياشيم إلى الخارج. تحتوي الأسماك العظمية على ثلاثة أزواج من الأقواس، بينما تحتوي الأسماك الغضروفية على خمسة إلى سبعة أزواج، بينما تحتوي الأسماك البدائية عديمة الفك على سبعة أزواج. لا شك أن للجد المشترك للفقاريات أقواس أكثر، حيث أن بعض أقارب الحبليات لديهم أكثر من 50 زوجًا من الخياشيم.
لا تطور السلويات الخياشيم، ومع ذلك تتشكل أقواس الخياشيم خلال التطور الجنيني وتضع الأساس لبنى مهمة مثل الفكين والغدة الدرقية والحنجرة والعظمة العمودية (المقابلة للعظم الركابي في الثدييات) وفي الثدييات المطرقة والسندان. قد تكون شقوق الخياشيم للأسماك هي الأسلاف التطورية للوزتين والغدة الزعترية وقنوات أوستاكيوس، وكذلك العديد من البنى الأخرى المستمدة من الجيوب الخيشومية الجنينية.
بحث العلماء أي جزء من الجسم مسؤول عن الحفاظ على إيقاع التنفس. وجدوا أن الخلايا العصبية الموجودة في جذع دماغ الأسماك مسؤولة عن نشأة إيقاع التنفس. يختلف موقع هذه الخلايا العصبية قليلاً عن مراكز نشأة التنفس لدى الثدييات ولكنها تقع في نفس حجرة الدماغ، مما أثار جدلاً حول تجانس مراكز التنفس بين الأنواع المائية والبرية. في كل من التنفس المائي والبري، لم يتم فهم الآليات الدقيقة التي يمكن من خلالها للخلايا العصبية أن تولد هذا الإيقاع اللاإرادي بشكل كامل (انظر التحكم اللاإرادي في التنفس).
سمة مهمة أخرى للجهاز التنفسي هي أنه يتكيف مع استهلاك الجسم للأكسجين. كما هو الحال عند الثدييات، فإن الأسماك "تتنفس" بشكل أسرع وأثقل عندما تمارس التمارين الرياضية. ظلت الآليات التي تحدث بها هذه التغييرات موضع نقاش حاد بين العلماء لأكثر من 100 عام. يمكن تصنيف المؤلفين إلى مدرستين:
أولئك الذين يعتقدون أن الجزء الأكبر من التغيرات التنفسية معدة مسبقًا في الدماغ، مما يعني أن الخلايا العصبية من مراكز الحركة في الدماغ تتصل بمراكز الجهاز التنفسي تحسبا للحركات.
أولئك الذين يعتقدون أن الجزء الأكبر من التغييرات التنفسية ناتج عن اكتشاف تقلص العضلات، وأن التنفس يتكيف نتيجة تقلص العضلات واستهلاك الأكسجين. وهذا يعني أن الدماغ يمتلك نوعًا من آليات الكشف التي من شأنها أن تحفز استجابة تنفسية عند حدوث تقلص العضلات.
يتفق الكثير الآن على أن كلا الآليتين ربما تكونان موجودتين ومتكاملتين، أو تعملان جنبًا إلى جنب مع آلية يمكنها اكتشاف التغيرات في تشبع دم الأكسجين و/ أو ثاني أكسيد الكربون.