جهاز تنفسي
تبادل الغازات

المقالة الرئيسة: تبادل الغازات
يحتوي الهواء الموجود داخل الحويصلات الهوائية على حجم شبه دائم من الهواء يبلغ حوالي 2.5-3.0 لترًا والذي يُحيط تمامًا بالدم الشعري السنخي. وهذا يضمن أن تكون موازنة ضغوط الغازات في الجزأين فعالة للغاية وتحدث بسرعة كبيرة. الدم الذي يخرج من الشعيرات الدموية السنخية ويتم توزيعه في نهاية المطاف إلى جميع أنحاء الجسم، وبالتالي فإن ضغط الأكسجين يبلغ 13-14 كيلو باسكال (100 مم زئبق)، وضغط ثاني أكسيد الكربون يبلغ 5.3 كيلو باسكال (40 مم زئبق) (أي نفس ضغط الأكسجين. توترات غازات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون كما هو الحال في الحويصلات الهوائية). كما هو مذكور في القسم أعلاه، فإن الضغوط الجزئية المقابلة للأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الهواء المحيط عند مستوى سطح البحر هي 21 كيلو باسكال (160 ملم زئبق) و0.04 كيلو باسكال (0.3 ملم زئبق) على التوالي.
يمكن الحفاظ على هذا الاختلاف الملحوظ بين تكوين الهواء السنخي وتلك الخاصة بالهواء المحيط لأن القدرة الوظيفية المتبقية موجودة في أكياس مسدودة متصلة بالهواء الخارجي عن طريق أنابيب ضيقة وطويلة نسبيًا (الممرات الهوائية: الأنف والبلعوم والحنجرة والقصبة الهوائية والشعب الهوائية وفروعها وصولاً إلى القصيبات )، والتي من خلالها يجب أن يتنفس الهواء للداخل والخارج (أي لا يوجد تدفق أحادي الاتجاه كما هو الحال في رئة الطيور). هذا التشريح النموذجي للثدييات جنبًا إلى جنب مع حقيقة أن الرئتين لا يتم تفريغهما وإعادة نفخهما مع كل نفس (تاركًا حجمًا أكبر من الهواء، حوالي 2.5-3.0 لتر، في الحويصلات الهوائية بعد الزفير)، يضمن تكوين الحويصلات الهوائية يتم إزعاج الهواء بشكل طفيف فقط عند خلط 350 مل من الهواء النقي مع كل استنشاق. وهكذا يتم تزويد الحيوان بهواء، يختلف تكوينه بشكل كبير عن الهواء المحيط.
يتم التحكم في الضغط الشرياني الجزئي الناتج عن الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. إن ارتفاع الضغط الشرياني الجزئي لثاني أكسيد الكربون، وبدرجة أقل، انخفاض الضغط الشرياني الجزئي لـ O 2 ، سيؤدي إلى تنفس أعمق وأسرع حتى توتر غازات الدم في الرئتين ، وبالتالي الدم الشرياني، العودة إلى وضعها الطبيعي. يحدث العكس عندما ينخفض توتر ثاني أكسيد الكربون، أو مرة أخرى، بدرجة أقل ، يرتفع توتر الأكسجين: ينخفض معدل التنفس وعمقه حتى يعود غاز الدم إلى طبيعته.
نظرًا لأن الدم الذي يصل إلى الشعيرات الدموية السنخية له ضغط جزئي يبلغ في المتوسط ، 6 كيلو باسكال (45 ملم زئبق) ، في حين أن الضغط في الهواء السنخي هو 13-14 كيلو باسكال (100 ملم زئبق) ، سيكون هناك انتشار صافي للأكسجين إلى الدم الشعري . وبالمثل ، فأن الدم الذي يصل إلى الشعيرات الدموية السنخية يحتوي على ضغط جزئي من ثاني أكسيد الكربون تبلغ 6 كيلو باسكال (45 مم زئبق) ، في حين أن الهواء السنخي 5.3 كيلو باسكال (40 مم زئبق) ، فيندفع ثاني أكسيد الكربون خارج الشعيرات الدموية إلى الحويصلات الهوائية. التغييرات التي أحدثتها هذه التدفقات الصافية للغازات الفردية داخل وخارج الهواء السنخي تستلزم استبدال حوالي 15٪ من الهواء السنخي بالهواء المحيط كل 5 ثوانٍ أو نحو ذلك. يتم التحكم في هذا بإحكام شديد من خلال مراقبة غازات الدم الشرياني (التي تعكس بدقة تكوين الهواء السنخي) بواسطة مستقبلات على الشربان الأبهر والسباتي وكذلك عن طريق غاز الدم ومستشعر الأس الهيدروجيني على السطح الأمامي للنخاع المستطيل في الدماغ. توجد أيضًا مستشعرات للأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الرئتين ، لكنها تحدد بشكل أساسي أقطار القصيبات والشعيرات الدموية الرئوية ، وبالتالي فهي مسؤولة عن توجيه تدفق الهواء والدم إلى أجزاء مختلفة من الرئتين.
نتيجة للمحافظة الدقيقة على تكوين 3 لترات من الهواء السنخي يتم تصريف بعض ثاني أكسيد الكربون مع كل نفس في الغلاف الجوي ويتم امتصاص بعض الأكسجين من الهواء الخارجي. في حالة فقدان المزيد من ثاني أكسيد الكربون بسبب فترة قصيرة من فرط التنفس ، فسيتم إبطاء التنفس أو توقفه حتى يعود الضغط الجزئي السنخي لثاني أكسيد الكربون إلى 5.3 كيلو باسكال (40 ملم زئبق). لذلك من غير الصحيح بالمعنى الدقيق للكلمة أن الوظيفة الأساسية للجهاز التنفسي هي تخليص الجسم من ثاني أكسيد الكربون بشكل كلي. من المحتمل أن يُنظر إلى ثاني أكسيد الكربون الذي يتم استنشاقه مع كل نفس على أنه منتج ثانوي لثاني أكسيد الكربون السائل خارج الخلية في الجسم واستتباب الأس الهيدروجيني .
إذا تم خرق هذه الألية فسيحدث حماض تنفسي ، أو قلاء تنفسي . على المدى الطويل يمكن تعويضها عن طريق الكلية عن طريق تغير تركيزات H + وHCO 3 في البلازما ؛ ولكن نظرًا لأن هذا يستغرق وقتًا طويلًا .قد تحدث متلازمة فرط التنفس ، على سبيل المثال ، عندما يتسبب القلق في جعل الشخص يتنفس بسرعة وبعمق مما يتسبب في قلاء تنفسي نتيجة دفع الكثير من ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى الهواء الخارجي.
للأكسجين قابلية ذوبان منخفضة جدًا في الماء ، وبالتالي يتم حمله في الدم بشكل غير محكم مع الهيموجلوبين . يتم حمل الأكسجين بواسطة أربع مجموعات من الحديد التي توجد في كل جزيء هيم من الهيموجلوببن. عندما تحمل جميع مجموعات الهيم جزيء الأكسجين، يُقال الدم في حالة "تشبع" ، ولن تؤدي أي زيادة أخرى في الضغط الجزئي للأكسجين إلى زيادة تركيز الأكسجين في الدم. يُنقل معظم ثاني أكسيد الكربون في الدم على هيئة أيونات بيكربونات (HCO3 - ) في البلازما. ومع ذلك ، فإن تحويل ثاني أكسيد الكربون المذاب إلى HCO3 -(من خلال إضافة الماء) بطيء جدًا بالنسبة لمعدل دوران الدم عبر الأنسجة من ناحية، ومن خلال الشعيرات الدموية السنخية من ناحية أخرى. لذلك يتم تحفيز التفاعل بواسطة إنزيم كربونيك أنهيدراز، وهو إنزيم يوجد داخل خلايا الدم الحمراء . يمكن أن يذهب التفاعل في كلا الاتجاهين اعتمادًا على الضغط الجزئي السائد لثاني أكسيد الكربون . يتم حمل كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون على مجموعة كاربامينو الموجود في الأحماض الأمينية المكونة للهيموجلوبين. التركيز الكلي لثاني أكسيد الكربون (على شكل أيونات بيكربونات ، وثاني أكسيد كربون مذاب، ومجموعات الكاربامينو) في الدم الشرياني (أي بعد موازنته مع الهواء السنخي) يبلغ حوالي 26 ملم (أو 58 مل / 100 مل) ، مقارنة بتركيز الأكسجين في الدم الشرياني المشبع بحوالي 9 ملم ( أو 20 مل / 100 مل دم).