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鱼类是鳃呼吸，心脏结构简单，由静脉窦、心房、心室、动脉圆锥(或退化)组成。血液循环由心室压出的缺氧血经入鳃动脉进入鳃部进行气体交换，出鳃的多氧血经出鳃动脉不再回心脏而是直接沿背大动脉流到全身，从各组织器官返回的缺氧血经主静脉系统再流回心脏。这样鱼的血液每循环一周，只经过心脏一次。
两栖类虽是成体肺呼吸，但必有皮肤呼吸，心脏成为两心房一心室，不过仍存在静脉窦和动脉圆锥。心脏容纳了从全身返回的缺氧血和由肺静脉、皮静脉返回的多氧血。循环路线由鱼类的单循环演变为体循环和肺循环，即血液完成一个循环要通过心脏两次。缺氧血与多氧血不能完全分开，所以称为不完全的双循环。
爬行类为肺呼吸，血液循环仍为不完全的双循环，心脏包括分隔完全的二个心房和不完全分隔的一个心室。鳄类的心室出现完全心室间隔。从左心房进入的多氧血被压入颈动脉和体动脉而进入头部和体循环，彼此混合很少。此外爬行类的静脉循环系统中肾门静脉开始退化，血液回心脏的流动速度和血压增大。而且可以借助于胸廓的扩张和缩小，使肺内和呼吸道中的气压与外界大气压产生差别，而将气体吸入或排出。
鸟类肺呼吸，心脏已经分为完全的4个腔了，即左心房、右心房、左心室、右心室，使得通过体循环的缺氧血与从肺循环来的多氧血在心脏内完全不混合。鸟类的右体动脉弓保留。由于由于肾门静脉明显退化使得血压和血流速度提高，循环加速，心跳快，使鸟类在飞行中能得到充足的氧气供应。
哺乳类肺呼吸，循环系统与鸟类的一样，属于完全双循环。心脏也分为完全的4个腔。体循环回到心脏的缺氧血与从肺循环回到心脏的多氧血在心脏内也是不混合的。体动脉弓只保留了左侧，而静脉系统的主干血管趋于简化，多数哺乳类仅保留右前大静脉。肾门静脉则完全退化，成体的腹静脉消失。这些特点使哺乳动物的血液循环速度加快，血压升高，循环效率提高。综上所述，可见脊椎动物循环系统的演变与呼吸系统的变化是密切相关的。
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