Sistem pernapasan
Mamalia > Pertukaran gas

Artikel utama: Pertukaran gas
Mekanisme pertukaran gas
Diagram proses pertukaran gas pada paru-paru mamalia yang menekankan perbedaan antara komposisi gas dari udara di sekelilingnya, udara alveolar (biru muda) yang menyeimbangkan darah kapiler paru, antara tekanan gas darah pada arteri paru (warna biru yang memasuki paru-paru di sebelah kiri) dan darah vena (warna merah yang meninggalkan paru-paru di sebelah kanan). Semua tekanan gas menggunakan satuan kPa. Untuk mengonversi ke mm Hg, kalikan dengan 7,5.
Diagram yang menggambarkan penampang histologis jaringan paru-paru yang menunjukkan alveolus yang meningkat secara normal (pada akhir ekshalasi normal), dan dindingnya yang berisi kapiler paru (ditunjukkan pada penampang potong lintang). Ilustrasi ini menggambarkan bagaimana darah kapiler paru benar-benar dikelilingi oleh udara alveolar. Dalam paru-paru manusia normal, secara keseluruhan semua alveoli mengandung sekitar 3 liter udara alveolar. Semua kapiler paru mengandung sekitar 100 ml darah.
Tujuan utama sistem pernapasan adalah mencapai keseimbangan tekanan parsial antara gas pernapasan di alveolar dengan di darah kapiler paru (Gambar 11). Proses ini terjadi melalui difusi sederhana, melintasi membran yang sangat tipis (dikenal sebagai penghalang darah–udara), yang membentuk dinding alveoli paru (Gambar 10). Dinding ini terdiri dari sel-sel epitel alveolar, membran basal, dan sel-sel endotelium kapiler alveolar (Gambar 10). Penghalang gas darah ini sangat tipis (pada manusia, rata-rata tebalnya 2,2 μm), yang dilipat menjadi sekitar 300 juta kantung udara kecil yang disebut alveoli (masing-masing berdiameter antara 75 dan 300 μm) yang bercabang dari bronkiolus pernapasan di paru-paru, sehingga membentuk area permukaan yang sangat besar (sekitar 145 m2) untuk pertukaran gas.
Udara yang terkandung dalam alveoli memiliki volume semipermanen sekitar 2,5–3,0 liter yang sepenuhnya mengelilingi darah kapiler alveolar (Gambar 12). Hal ini memastikan bahwa keseimbangan tekanan parsial gas di dua kompartemen sangat efisien dan terjadi dengan sangat cepat. Darah yang meninggalkan kapiler alveolar dan akhirnya didistribusikan ke seluruh tubuh memiliki tekanan parsial oksigen 13–14 kPa (100 mmHg), dan tekanan parsial karbon dioksida 5,3 kPa (40 mmHg) (yaitu sama dengan ketegangan oksigen dan gas karbon dioksida seperti pada alveoli). Seperti disebutkan dalam bagian mekanika pernapasan di atas, tekanan parsial oksigen dan karbon dioksida di udara lingkungan (kering) pada permukaan laut masing-masing adalah 21 kPa (160 mmHg) dan 0,04 kPa (0,3 mmHg).
Perbedaan yang mencolok antara komposisi udara alveolar dan udara lingkungan dapat dipertahankan karena kapasitas residual fungsional tertahan dalam kantung buntu yang terhubung ke udara luar oleh tabung yang cukup sempit dan relatif panjang (yaitu saluran udara yang meliputi hidung, faring, laring, trakea, bronkus, dan cabang-cabangnya hingga turun ke bronkiolus), yang harus dilalui oleh udara yang dihirup masuk maupun dihembuskan keluar (tidak ada aliran searah seperti pada paru-paru burung). Anatomi mamalia yang khas ini, yang dikombinasikan dengan fakta bahwa paru-paru tidak dikosongkan dan segera dikembangkan kembali setiap kali bernapas (menyisakan volume udara yang substansial, sekitar 2,5–3,0 liter, dalam alveoli setelah ekshalasi), memastikan bahwa komposisi alveolar udara hanya sedikit terganggu ketika 350 ml udara segar dicampurkan ke dalamnya pada setiap inhalasi. Dengan demikian, hewan tersebut memiliki "atmosfer portabel" yang sangat istimewa, yang komposisinya berbeda secara signifikan dibandingkan udara lingkungan saat ini.. Darah dan jaringan tubuh terpapar pada atmosfer portabel ini (kapasitas residual fungsional), bukan ke udara luar.
Hasil tekanan parsial arteri oksigen dan karbon dioksida dikendalian melalui homeostasis. Peningkatan tekanan parsial arteri CO2 dan, pada tingkat lebih rendah, penurunan tekanan parsial arteri O2, secara refleks akan menyebabkan pernapasan lebih dalam dan lebih cepat hingga tekanan gas darah di paru-paru serta darah arteri kembali normal. Sebaliknya, ketika tekanan karbon dioksida turun, atau, lagi-lagi pada tingkat yang lebih rendah, tekanan oksigen meningkat: laju dan kedalaman pernafasan berkurang sampai normalitas gas darah dipulihkan.
Karena darah yang tiba di kapiler alveolar memiliki tekanan parsial O2 rata-rata sebesar 6 kPa (45 mmHg), sedangkan tekanan udara alveolar adalah 13-14 kPa (100 mmHg), akan ada difusi oksigen ke dalam darah kapiler, yang sedikit mengubah komposisi 3 liter udara alveolar. Demikian pula dengan CO2, karena darah yang tiba di kapiler alveolar memiliki tekanan parsial CO2 yang juga sekitar 6 kPa (45 mmHg), sedangkan udara alveolar adalah 5,3 kPa (40 mmHg), ada pergerakan karbon dioksida dari kapiler ke dalam alveoli. Perubahan-perubahan yang ditimbulkan oleh aliran masing-masing gas ini ke dalam dan ke luar dari udara alveolar mengharuskan penggantian sekitar 15% dari udara alveolar dengan udara sekitar setiap 5 detik atau lebih. Hal ini dikontrol sangat ketat oleh mekanisme pemantauan gas darah arteri (yang secara akurat mencerminkan komposisi udara alveolar) oleh tubuh aorta dan karotis, serta oleh sensor gas darah dan sensor pH pada permukaan anterior medula oblongata di otak. Ada juga sensor oksigen dan karbon dioksida di paru-paru, tetapi mereka utamanya menentukan diameter bronkiolus dan kapiler paru, dan karena itu bertanggung jawab untuk mengarahkan aliran udara dan darah ke berbagai bagian paru-paru.
Dengan mempertahankan komposisi 3 liter udara alveolar secara akurat pada setiap kali bernapas, sejumlah karbon dioksida dilepaskan ke atmosfer dan sejumlah oksigen diambil dari udara luar. Jika lebih banyak karbon dioksida yang hilang akibat hiperventilasi dalam waktu singkat, respirasi akan diperlambat atau dihentikan sampai tekanan parsial alveolar karbon dioksida kembali ke 5,3 kPa (40 mmHg). Oleh karena itu, tidak benar bahwa fungsi utama dari sistem pernapasan adalah untuk membersihkan tubuh dari "limbah" karbon dioksida. Karbon dioksida yang dihembuskan dalam setiap napas mungkin bisa lebih tepat dilihat sebagai produk sampingan dari cairan ekstraseluler tubuh dan homeostasis pH yang menghasilkan CO2.
Jika homeostasis ini terganggu, asidosis respiratorik atau alkalosis respiratorik akan terjadi. Dalam jangka panjang, hal ini dapat dikompensasi dengan penyesuaian ginjal terhadap konsentrasi H+ dan HCO3− dalam plasma; tetapi karena ini membutuhkan waktu, sindrom hiperventilasi dapat terjadi, misalnya, ketika agitasi atau kecemasan menyebabkan seseorang bernapas cepat dan dalam sehingga menyebabkan alkalosis respiratorik akibat menghembuskan terlalu banyak CO2 dari darah ke udara luar.
Oksigen memiliki kelarutan yang sangat rendah dalam air sehingga dibawa secara longgar dalam darah dan dikombinasikan dengan hemoglobin. Oksigen diikat pada hemoglobin oleh empat kelompok heme yang mengandung besi per molekul hemoglobin. Ketika semua kelompok heme membawa satu molekul O2 masing-masing darah dikatakan "jenuh" dengan oksigen, dan tidak ada lagi peningkatan tekanan parsial oksigen yang secara bermakna akan meningkatkan konsentrasi oksigen dalam darah. Sebagian besar karbon dioksida dalam darah dibawa sebagai ion bikarbonat (HCO3−) dalam plasma. Namun, konversi CO2 terlarut menjadi HCO3− (melalui penambahan air) terlalu lambat untuk laju sirkulasi darah yang melalui jaringan di satu sisi, dan melalui kapiler alveolar di sisi lain. Karenanya, reaksi ini dikatalisis oleh karbonat anhidrase, enzim di dalam sel darah merah. Reaksi dapat berjalan ke dua arah tergantung pada tekanan parsial CO2 yang berlaku.  Sejumlah kecil karbon dioksida dibawa pada bagian protein dari molekul hemoglobin sebagai gugus karbamino. Total konsentrasi karbon dioksida (dalam bentuk ion bikarbonat, CO2 terlarut, dan gugus karbamino) dalam darah arteri (yaitu setelah diseimbangkan dengan udara alveolar) adalah sekitar 26 mM (atau 58 ml/100 ml), dibandingkan dengan konsentrasi oksigen dalam darah arteri jenuh sekitar 9 mM (atau 20 ml/100 ml darah).