酸素の摂取は水中からより空気中からのほうがはるかに有利となる。これは水中における溶存酸素がせいぜい15℃で7ml/lであるのに対して空気中には209ml/lにも達すること、空気の比重は水の1000分の1、空気の粘性は水の100分の1であること、酸素の血液中への拡散速度は空気中が水中の50万倍にも上ることによる。しかし、初期脊椎動物によって水呼吸に用いられてきた鰓は水との接触面積を柔軟で微細な襞状構造によって達成しているため、これを空気中に引き出すと襞間の水の凝縮力によってしぼんでしまい、呼吸媒体との接触面積が水中に比して著しく低下する。そのため、空気呼吸の利点を享受するには新たな呼吸器官が必要となる。この空気呼吸器官は鰓のような凸状の酸素摂取面を体外に発達させるのではなく、体内に凹状の酸素摂取面を設けることで、空気の圧力により呼吸媒体との接触面積が広く維持できる。こうして鰓裂直後の消化管腹壁より分化した嚢状器官として肺は発生した。脊椎動物が肺を獲得した時期に関しては初期の有顎動物下門である板皮綱に既に肺を持つものがいたとする説があるが、初期の硬骨魚綱には確実に存在している。また、軟骨魚綱は肺を持つことがなかったグループである。
当臓器の膨張と収縮の仕組みは、横隔膜や肋間筋が胸腔を広げ、胸腔が陰圧になることで肺が立体的に引っ張られて受動的に膨らむ。一方縮むときは筋肉は使われず、当臓器の自ら縮もうとする力で収縮して空気の吸入・呼出をする。壁側胸膜は知覚神経が豊富で、肺が痛む時はこの神経が関与している。なお、サーファクタント（界面活性剤）が、肺の円滑な動きには必要である。このサーファクタントが不足した状態になったことが新生児呼吸窮迫症候群の原因である。サーファクタントが足りないために上手く肺胞が広がらず、ガス交換が上手くゆかなくなっているのである。なお新生児呼吸窮迫症候群は、妊娠期間が短いほど（早産であるほど）発生しやすく、新生児が死亡する原因の1つとなる。
流れる血管には大きく2系統があり、血液ガス交換のための系統を機能血管といい、いま1つは栄養血管と言う系統であり当臓器を養うためのものである。機能血管は心臓の右心室から肺動脈が出る。肺動脈は縦隔で左右に枝分れして右肺動脈と左肺動脈に分かれる。左右肺動脈は気道と同様に肺葉に向けて分岐して行き、最後は肺胞で毛細血管になる。肺胞でガス交換を終えた血管は分岐した時と同様に合流して行き、左右それぞれ2本の肺静脈となって左心房に流れ込む。栄養動脈である気管支循環系は、大動脈から直接分岐する。
横隔膜・肋間筋に囲まれた胸郭中にあり、肺の表面を覆っている漿膜を胸膜と言い、横隔膜や肋間筋を裏打ちしている。肺を覆っている胸膜を臓側胸膜（肺胸膜、漿液である胸膜内液で満たされている。左と右、2つに分れているが、形状は左右対称にはなっておらず、右肺は上から順に上葉・中葉・下葉からなり、左肺はやや小さく上葉・下葉からなる。この5つの肺葉を大葉と言い、大葉はさらに細かく10の肺区域に分けられる。それぞれ上部は尖っており、肺尖。下面は平らであり、肺底と呼ばれている。左肺に中葉がないのは、左右の肺を隔てる縦隔にある心臓が体幹の中心よりも左に寄っており、その分スペースが小さいためである。
ポターニンが入学した後もカヴェーリンは彼の世話を焼き、ポターニンは生活に困窮した時にたびたびカヴェーリンから援助を受ける。ポターニンは友人のニコライ・ヤドリンツェフと一つの部屋を借りて共同で使用していたが、売れる者はほとんど売り払ったため、一枚残ったズボンすらも共用する羽目になった。ウクライナ出身の歴史家コストマーロフの講義にポターニンは強い興味を覚え、後年のシベリアの分離独立の着想を得たと考えられている。1861年9月から10月にかけてペテルブルク各地の大学で起きた学生運動に参加したため、ポターニンは逮捕される。参加の動機に深い政治的な意図が無いと判断されて、12月7日にポターニンは釈放されたが大学は閉鎖され、ポターニンはオムスクに帰郷した。シベリアに戻ったポターニンは、セミョーノフの斡旋によって1862年4月にロシア帝室地理学協会の研究員に採用され、同年夏にウラル地方の学術調査に参加する。翌1863年にザイサン湖と東タルバガタイ山脈に向かうストルーヴェの探検隊に通訳として参加し、この地域への調査は後年の中央アジア研究の第一歩となった。帰還後にポターニンは統計委員会書記、農民問題委員に任命され、日曜学校、読書会などを通した文字の教育に携わった。その後ポターニンはストルーヴェに仲介を頼んでトムスク県統計委員会書記の職に着き、1864年秋にトムスクに移住する。ポターニンにとって、トムスク県統計委員会書記は給料を得られるだけでなく、現地の自然と住民の研究、植物・昆虫の採集も行える理想的な役職だった。同じくトムスクに住む事になったヤドリンツェフと共に、ポターニンはトムスクで発行された新聞『トムスク県通報』に論説を発表した。ポターニンはシベリアとロシア本土の間にある植民地的な格差を憂いてヤドリンツェフらと議論を交わしたが、ロシア政府にはポターニンと仲間たちは急進的な分離主義者に映り、ポターニンたちに監視の目が向けられるようになる。1865年5月27日にポターニンは仲間のヤドリンツェフ、コロソフと共に逮捕される。ポターニンらの活動は政府から警戒され、また逮捕の一週間前に発見されたシベリア独立宣言文の起草者だと疑われていた。ポターニンは軍の監獄に移され、収監中も学術研究を続けた。オムスクの監獄に3年間収容された後、1868年にヘルシンキ沖のスヴェアボルグ島に移送される。1871年12月にポターニンは牢から出され、ヴォログダ県のトティマー、次いでニコリスクに流された。流刑先のニコリスクでポターニンは友人のラウルスキーの慰問に訪れた彼の妹アレクサンドラと出会い、彼女と文通を始める。刑期を終えた後、ポターニンはアレクサンドラと結婚する。後年行った探検調査での資料の収集にあたって、アレクサンドラは持ち前の語学力を生かしてポターニンを助けることになる。1873年には、ヴォログダ県の調査研究の功績を評価されて地理学協会から金メダルを授与される。1874年にセミョーノフらの奔走によってポターニンは特赦を受けてサンクトペテルブルクへの居住を許され、モンゴル西部の探検を委任される。