ระบบการแลกเปลี่ยนแก๊สของคนประกอบด้วย 2 ขั้นตอน คือ

1.external respiration --> เป็นการนำอากาศเข้า-ออกจากปอด และการแลกเปลี่ยนแก๊สบริเวณส่วนต่างๆ ของร่างกาย

2. internal respiration --> การหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration)

ระบบแลกเปลี่ยนแก๊สของคนประกอบส่วนต่างๆ ดังนี้

1. ส่วนที่นำอากาศเข้าสู่ร่างกาย --> เริ่มตั้งแต่รูจมูก โพรงจมูก (nasal cavity) คอหอย (pharynx) กล่องเสียง (larynx) หลอดลมคอ (trachea) หลอดลมหรือขั้วปอด (bronchus) หลอดลมฝอย (bronchiole)

2. ส่วนที่เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊ส --> หลอดลมฝอยแลกเปลี่ยนแก๊ส มีลักษณะเป็นถุงลมย่อย (pulmonary-alveoli) ซึ่งทำให้แลกเปลี่ยนแก๊สได้

** กระดูกซี่โครง (rib) และกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครง ซึ่งจะร่วมกันทำงานให้เกิดการหายใจเข้า หายใจออกและป้องกันอันตรายให้แก่ระบบหายใจด้วย **

ปอดเป็นอวัยวะที่ทำหน้าที่ในการหายใจ ตั้งอยู่ภายในทรวงอกมีปริมาตรประมาณ 2 ใน 3 ของทรวงอก ปอดขวาจะสั้นกว่าปอดซ้าย เนื่องจากตับซึ่งอยู่ทางด้านล่างดันขึ้นมา ส่วนปอดซ้ายจะแคบกว่าปอดขวาเพราะว่ามีหัวใจแทรกอยู่ ปอดมีเยื่อหุ้มปอด (Pleura) 2 ชั้น ชั้นนอกติดกับผนังช่องอกเรียกว่า parietal pleura ชั้นในติดกับผนังของปอดเรียกว่า visceral pleura ระหว่างเยื่อทั้งสองชั้นมีของเหลวที่เรียกว่า pleura fluid เคลือบอยู่

จมูกและปาก

- โพรงจมูกจะมีขนและต่อมน้ำมันช่วยในการกรองและจับฝุ่นละอองไม่ให้ผ่านลงสู่ปอด

- โพรงจมูกยังมีเยื่อบุจมูกหนาช่วยให้อากาศที่เข้ามามีความชุ่มชื้นเพิ่มขึ้นและมีอุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากเส้นเลือดจำนวนมากที่อยู่ใต้เยื่อบุผิวของโพรงจมูก

- ออลแฟกเทอรีแอเรีย (Olfactory area) ในจมูกเป็นบริเวณที่ทำหน้าที่รับกลิ่นโดยมีเซลล์เยื่อบุผิวเรียกว่า ออลแฟกทอรีเซลล์ (olfactory cell) มีพื้นที่ประมาณ 10 ตารางเซนติเมตร และจะมีขนาดเล็กลงเมื่ออายุมากขึ้น

คอหอย(Pharynx) เป็นบริเวณที่พบกันของช่องจมูกและช่องปาก อากาศจะผ่านเข้าสู่กล่องเสียง (larynx) โดยมี ฝาปิดกล่องเสียง (epiglottis) ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้อาหารตกลงสู่หลอดลม และที่กล่องเสียงจะมีเยื่อเมือกที่มีใยเอ็นยืดหยุ่นได้เรียกว่า เส้นเสียง (vocal cord) เมื่อลมผ่านกล่องเสียงจะทำให้เส้นเสียงสั่นและเกิดเป็นเสียงขึ้น

หลอดลมคอ(Trachea) เป็นท่อกลวงมีกระดูกอ่อนเรียงเป็นรูปเกือกม้าทำให้หลอดลมคอไม่แฟบ หลอดลมคอของผู้ใหญ่ยาวประมาณ 9-15 เซนติเมตร โดยจะเริ่มจากกระดูกคอชิ้นที่ 6 จนถึงกระดูกอกชิ้นที่ 5 แล้วแตกแขนงเป็นหลอดลมขั้วปอด(bronchus) เข้าสู่ปอด

หลอดลมฝอย(Bronchiole) แบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ

- Terminal bronchiole --> แยกออกจากหลอดลมแขนงมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5-1 มิลลิเมตร พบกล้ามเนื้อเรียบและเยื่ออิลาสติกไฟเบอร์ไม่พบโครงสร้างที่เป็นกระดูกอ่อน

- Respiratory bronchiole --> เป็นส่วนแรกที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส

ท่อลม(Alveolar duct) เป็นท่อส่วนสุดท้ายของส่วนที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory pision) ซึ่งจะไปสิ้นสุดที่ถุงลม (alveolar sac)

ถุงลมและถุงลมย่อย(alveolus หรือ alveolar sac และ pulmonary alveoli) เป็นถุงมีเซลล์พิเศษหลั่งสารพวกฟอสโฟลิพิด (phospholipid) เรียกว่า เซอร์แฟกแทนท์(surfactant) เข้าสู่ถุงลมย่อยเพื่อลดแรงตึงผิวของถุงลมย่อยไม่ให้ติดกัน ผนังของถุงลมย่อยมีรูซึ่งเป็นช่องติดต่อระหว่างถุงลมย่อยทำให้อากาศภายในถุงลมย่อยมีแรงดันเท่ากันทั้งปอด ปอดแต่ละข้างจะมีถุงลมปอดประมาณ 300 ล้านถุง แต่ละถุงจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 0.25 เซนติเมตร คิดเป็นพื้นที่ทั้งหมดของการแลกเปลี่ยนแก๊สของถุงลมปอดทั้งสองข้างประมาณ 90 ตารางเมตรหรือคิดเป็น 40 เท่าของพื้นที่ผิวของร่างกาย การที่ปอดยืดหยุ่นได้ดีและขยายตัวได้มาก ทำให้ร่างกายได้รับแก๊สออกซิเจนและคายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์อย่างเพียงพอ

การหายใจ (Breathing) คือ การหายใจเข้า (inspiration) และการใจออก (expiration) โดยเกิดจากการทำงานร่วมกันของกล้ามเนื้อกะบังลม กล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงซี่โครงด้านนอกและกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงด้านใน

** การหายใจส่วนท้อง (abdominal breathing) คือ การหายใจที่เกิดจากกล้ามเนื้อกระบังลม (ความสำคัญประมาณ 75%)

** การหายใจส่วนอก (chest breathing) การหายใจซึ่งเกิดจากกระดูกซี่โครงและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอก (มีความสำคัญประมาณ 25%)

การหายใจเข้า (Inspiration) --> กล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกหดตัว ทรวงอกและปอดขยายตัวขึ้นปริมาตรภายในปอดเพิ่มขึ้น ความดันภายในปอดจึงลดลงและต่ำกว่าบรรยากาศภายนอก อากาศภายนอกจึงเคลื่อนตัวเข้าสู่ปอด จนทำให้ความดันภายนอกและภายในปอดเท่ากันแล้วอากาศก็จะไม่เข้าสู่ปอดอีก

การหายใจออก (expiration) --> กล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกคลายตัวลง ปอดและทรวงอกมีขนาดเล็กลง ปริมาตรของอากาศในปอดลดลง ความดันภายในปอดสูงกว่าบรรยากาศภายนอก อากาศจึงเคลื่อนที่ออกจากปอดจนความดันในปอดลดลงเท่ากับความดันภายนอก อากาศก็จะหยุดการเคลื่อนที่

การหายใจเข้า-ออกจะเกิดสลับกันโดยปกติผู้ใหญ่จะหายใจประมาณ 15 ครั้งต่อนาที ส่วนในเด็กจะมีอัตราการหายใจสูงกว่าผู้ใหญ่เล็กน้อย

การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายของคนเกิดขึ้น 2 แห่งคือที่ปอดและที่เนื้อเยื่อ

ปอด --> เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างในถุงลมปอดกับเส้นเลือดฝอย โดยออกซิเจนจากถุงลมปอดจะแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยรอบๆถุงลมปอดและรวมตัวกับฮีโมโกลบิน (haemoglobin; Hb) ที่ผิวของเม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซีฮีโมโกลบิล(oxyhemoglobin ; HbO2) ซึ่งมีสีแดงสด เลือดที่มีออกซีฮีโมโกลบินนี้จะถูกส่งเข้าสู่หัวใจและสูบฉีดไปยังเนื้อเยื่อต่างๆทั่วร่างกาย

เนื้อเยื่อ --> ออกซีฮีโมโกลบินจะสลายให้ออกซิเจนและฮีโมโกลบิน ออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่เซลล์ทำให้เซลล์ของเนื้อเยื่อได้รับออกซิเจน

ขณะที่เนื้อเยื่อรับออกซิเจนนั้น คาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นในเซลล์ก็จะแพร่เข้าเส้นเลือด คาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยากับน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดงเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก(H2CO3) ซึ่งแตกตัวต่อไปได้ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน (HCO3-) และไฮโดรเจนไอออน (H+) เมื่อเลือดที่มีไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนมากไหลเข้าสู่หัวใจจะถูกสูบฉีดต่อไปยังเส้นเลือดฝอยรอบๆถุงลมปอด ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนและไฮโดรเจนไอออนจะรวมตัวกันเป็นกรดคาร์บอนิกแล้วจึงสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง เป็นผลให้ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์ในเส้นเลือดฝอยสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลมปอด จึงเกิดการแพร่ของคาร์บอนไดออกไซด์จากเส้นเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลมปอด

ศูนย์ควบคุมการหายใจ คือ สมองส่วนเมดัลดาออบลองกาตา(medulla oblongata) ซึ่งมีความไวต่อปริมาณของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์หรือไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนและไฮโดรเจนไอออน โดยจะกระตุ้นทำให้เกิดการหายใจเข้าเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นถ้าหากมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดเพิ่มขึ้นก็จะทำให้เกิดการการกระตุ้นเพิ่มขึ้นด้วย

การวัดอัตราการหายใจ

การหายใจเข้าและการหายใจออกของคนเป็นจังหวะที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งเกี่ยวข้องกับเมแทบอลิซึม กิจกรรมต่างๆของเซลล์เป็นผลจากเมแทบอลิซึมเซลล์ที่ใช้พลังงานมากแสดงว่ามีอัตราเมแทบอลิซึมสูงแต่การวัดอัตราเมแทบอลิซึมโดยตรงนั้นทำได้ยากจึงเปลี่ยนเป็นการวัดอัตราการใช้ออกซิเจนแทน โดยถือว่าเซลล์หรือร่างกายที่มีอัตราเมเทบอลิซึมสูงจะมีอัตราการนำออกซิเจนเข้าสูงด้วย

ตารางแสดงอัตราการหายใจของสัตว์บางชนิดขณะพัก

ปริมาตรอากาศที่หายใจเข้าปกติ แต่ละครั้งมีประมาณ 500 ลูกบาศก์เซนติเมตร ถ้าบังคับให้มีการหายใจเข้าเต็มที่มากที่สุด จะมีอากาศเข้าไปยังปอดเพิ่มมากขึ้นจนอาจถึง 6,000 ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเป็นระดับที่ปอดจะจุอากาศได้เต็มที่เช่นเดียวกับการบังคับการหายใจออกเต็มที่ อากาศจะออกจากปอดมากที่สุดเท่าที่ความสามารถของกล้ามเนื้อกะบังลมและกล้ามเนื้อซี่โครงจะทำได้ ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อหายใจออกเต็มที่แล้วยังคงมีอากาศตกค้างในปอด ประมาณ 1,100 ลูกบาศก์เซนติเมตร

ในคนที่ออกกำลังกายอยู่เสมอเช่น นักกีฬา ซึ่งสามารถสูดลมหายใจเข้าเต็มที่ได้มากกว่าคนทั่วไปเพราะกล้ามเนื้อที่ใช้ในการสูดลมหายใจทำงานได้ดี คนกลุ่มนี้จะทำกิจกรรมอยู่ได้นานและเหนื่อยช้ากว่าคนทั่วไป

การศึกษาปริมาตรของอากาศในปอดของคนด้วยเครื่อง spirometer สามารถนำมาเขียนกราฟได้ดังนี้