Le système respiratoire est responsable de l'obtention d'oxygène et de l'élimination du dioxyde de carbone, ainsi que de la production de la parole et de la perception des odeurs. D'un point de vue fonctionnel, le système respiratoire peut être divisé en deux zones principales : la zone de conduction et la zone respiratoire. La zone de conduction comprend toutes les structures qui fournissent des passages pour que l'air entre et sorte des poumons : la cavité nasale, le pharynx, la trachée, les bronches et la plupart des bronchioles. Les passages nasaux contiennent les cornets et les méats qui augmentent la surface de la cavité, ce qui aide à réchauffer et à humidifier l'air entrant, tout en éliminant les débris et les agents pathogènes. Le pharynx est composé de trois sections principales : le nasopharynx, qui est continu avec la cavité nasale ; l'oropharynx, qui borde le nasopharynx et la cavité orale ; et le laryngopharynx, qui borde l'oropharynx, la trachée et l'œsophage. La zone respiratoire comprend les structures du poumon qui sont directement impliquées dans les échanges gazeux : les bronchioles terminales et les alvéoles.

Le revêtement de la zone de conduction est principalement composé d'un épithélium cylindrique pseudostratifié cilié avec des cellules caliciformes. Le mucus piège les agents pathogènes et les débris, tandis que les cils battants déplacent le mucus supérieurement vers la gorge, où il est avalé. À mesure que les bronchioles deviennent de plus en plus petites et plus proches des alvéoles, l'épithélium s'amincit et est un épithélium pavimenteux simple dans les alvéoles. L'endothélium des capillaires environnants, ainsi que l'épithélium alvéolaire, forme la membrane respiratoire. Il s'agit d'une barrière alvéolo-capillaire à travers laquelle les échanges gazeux se produisent par diffusion simple.

Les poumons sont les principaux organes du système respiratoire et sont responsables des échanges gazeux. Les poumons sont appariés et séparés en lobes ; le poumon gauche se compose de deux lobes, tandis que le poumon droit se compose de trois lobes. La circulation sanguine est très importante, car le sang est nécessaire pour transporter l'oxygène des poumons vers d'autres tissus du corps. La fonction de la circulation pulmonaire est de faciliter les échanges gazeux. L'artère pulmonaire fournit du sang désoxygéné aux capillaires qui forment des membranes respiratoires avec les alvéoles, et les veines pulmonaires renvoient le sang nouvellement oxygéné au cœur pour un transport ultérieur dans tout le corps. Les poumons sont innervés par les systèmes nerveux parasympathique et sympathique, qui coordonnent la bronchodilatation et la bronchoconstriction des voies respiratoires. Les poumons sont entourés par la plèvre, une membrane composée de couches pleurales viscérale et pariétale. L'espace entre ces deux couches est appelé la cavité pleurale. Les cellules mésothéliales de la membrane pleurale créent le liquide pleural, qui sert à la fois de lubrifiant (pour réduire le frottement pendant la respiration) et d'adhésif pour faire adhérer les poumons à la paroi thoracique.

La ventilation pulmonaire est le processus de la respiration, qui est entraîné par les différences de pression entre les poumons et l'atmosphère. La pression atmosphérique est la force exercée par les gaz présents dans l'atmosphère. La force exercée par les gaz à l'intérieur des alvéoles est appelée pression intra-alvéolaire, tandis que la force exercée par les gaz dans la cavité pleurale est appelée pression intrapleurale. Typiquement, la pression intrapleurale est inférieure, ou négative, à la pression intra-alvéolaire. La différence de pression entre les pressions intrapleurale et intra-alvéolaire est appelée pression transpulmonaire. De plus, la pression intra-alvéolaire s'égalise avec la pression atmosphérique. La pression est déterminée par le volume de l'espace occupé par un gaz et est influencée par la résistance. L'air circule lorsqu'un gradient de pression est créé, d'un espace de haute pression vers un espace de basse pression. La loi de Boyle décrit la relation entre le volume et la pression. Un gaz est à une pression plus basse dans un volume plus grand parce que les molécules de gaz ont plus d'espace pour se déplacer. La même quantité de gaz dans un volume plus petit entraîne un entassement des molécules de gaz, produisant une pression accrue.

La résistance est créée par des surfaces inélastiques, ainsi que par le diamètre des voies respiratoires. La résistance réduit le flux des gaz. La tension superficielle des alvéoles influence également la pression, car elle s'oppose à l'expansion des alvéoles. Cependant, le surfactant pulmonaire aide à réduire la tension superficielle afin que les alvéoles ne s'effondrent pas pendant l'expiration. La capacité des poumons à s'étirer, appelée compliance pulmonaire, joue également un rôle dans le flux gazeux. Plus les poumons peuvent s'étirer, plus le volume potentiel des poumons est grand. Plus le volume des poumons est grand, plus la pression de l'air à l'intérieur des poumons est faible.

La ventilation pulmonaire consiste en le processus d'inspiration, où l'air entre dans les poumons, et d'expiration, où l'air quitte les poumons. Pendant l'inspiration, le diaphragme et les muscles intercostaux externes se contractent, provoquant l'expansion et le mouvement vers l'extérieur de la cage thoracique, et augmentant la cavité thoracique et le volume pulmonaire. Cela crée une pression plus faible à l'intérieur du poumon que celle de l'atmosphère, ce qui provoque l'entrée de l'air dans les poumons. Pendant l'expiration, le diaphragme et les intercostaux se relâchent, provoquant le recul du thorax et des poumons. La pression de l'air à l'intérieur des poumons augmente au-dessus de la pression de l'atmosphère, ce qui force l'air à sortir des poumons. Cependant, lors d'une expiration forcée, les intercostaux internes et les muscles abdominaux peuvent être impliqués dans l'expulsion de l'air des poumons.

Le volume respiratoire décrit la quantité d'air dans un espace donné à l'intérieur des poumons, ou qui peut être déplacée par le poumon, et dépend d'une variété de facteurs. Le volume courant fait référence à la quantité d'air qui entre dans les poumons pendant la respiration calme, tandis que le volume de réserve inspiratoire est la quantité d'air qui entre dans les poumons lorsqu'une personne inspire au-delà du volume courant. Le volume de réserve expiratoire est la quantité supplémentaire d'air qui peut sortir avec une expiration forcée, après l'expiration courante. Le volume résiduel est la quantité d'air qui reste dans les poumons après avoir expulsé le volume de réserve expiratoire. La capacité respiratoire est la combinaison de deux volumes ou plus. L'espace mort anatomique fait référence à l'air dans les structures respiratoires qui ne participe jamais aux échanges gazeux, car il n'atteint pas les alvéoles fonctionnelles. La fréquence respiratoire est le nombre de respirations par minute, qui peut changer lors de certaines maladies ou conditions.

La fréquence et la profondeur respiratoires sont toutes deux contrôlées par les centres respiratoires du cerveau, qui sont stimulés par des facteurs tels que les changements chimiques et de pH dans le sang. Ces changements sont détectés par les chémorécepteurs centraux, situés dans le cerveau, et les chémorécepteurs périphériques, situés dans la crosse de l'aorte et les artères carotides. Une augmentation du dioxyde de carbone ou une diminution des niveaux d'oxygène dans le sang stimule une augmentation de la fréquence et de la profondeur respiratoires.

Le comportement des gaz peut être expliqué par les principes de la loi de Dalton et de la loi de Henry, qui décrivent toutes deux des aspects des échanges gazeux. La loi de Dalton stipule que chaque gaz spécifique dans un mélange de gaz exerce une force indépendamment des autres gaz du mélange. La loi de Henry stipule que la quantité d'un gaz spécifique qui se dissout dans un liquide est fonction de sa pression partielle. Plus la pression partielle d'un gaz est élevée, plus ce gaz se dissoudra dans un liquide, à mesure que le gaz se déplace vers l'équilibre. Les molécules de gaz se déplacent le long d'un gradient de pression ; en d'autres termes, le gaz se déplace d'une région de haute pression vers une région de basse pression. La pression partielle d'oxygène est élevée dans les alvéoles et faible dans le sang des capillaires pulmonaires. En conséquence, l'oxygène diffuse à travers la membrane respiratoire des alvéoles vers le sang. En revanche, la pression partielle de dioxyde de carbone est élevée dans les capillaires pulmonaires et faible dans les alvéoles. Par conséquent, le dioxyde de carbone diffuse à travers la membrane respiratoire du sang vers les alvéoles. La quantité d'oxygène et de dioxyde de carbone qui diffuse à travers la membrane respiratoire est similaire.

La ventilation est le processus qui déplace l'air dans et hors des alvéoles, et la perfusion affecte le flux sanguin dans les capillaires. Les deux sont importants dans les échanges gazeux, car la ventilation doit être suffisante pour créer une pression partielle élevée d'oxygène dans les alvéoles. Si la ventilation est insuffisante et que la pression partielle d'oxygène diminue dans l'air alvéolaire, le capillaire est constricté et le débit sanguin est redirigé vers les alvéoles avec une ventilation suffisante. La respiration externe fait référence aux échanges gazeux qui se produisent dans les alvéoles, tandis que la respiration interne fait référence aux échanges gazeux qui se produisent dans les tissus. Les deux sont entraînés par des différences de pression partielle.

L'oxygène est principalement transporté dans le sang par les érythrocytes. Ces cellules contiennent une métalloprotéine appelée hémoglobine, qui est composée de quatre sous-unités avec une structure en anneau. Chaque sous-unité contient un atome de fer lié à une molécule d'hème. L'hème lie l'oxygène de sorte que chaque molécule d'hémoglobine peut lier jusqu'à quatre molécules d'oxygène. Lorsque toutes les unités d'hème dans le sang sont liées à l'oxygène, l'hémoglobine est considérée comme saturée. L'hémoglobine est partiellement saturée lorsque seules certaines unités d'hème sont liées à l'oxygène. Une courbe de saturation/dissociation de l'oxyhémoglobine est un moyen courant de représenter la relation entre la facilité avec laquelle l'oxygène se lie à l'hémoglobine ou s'en dissocie en fonction de la pression partielle d'oxygène. À mesure que la pression partielle d'oxygène augmente, l'hémoglobine se lie plus facilement à l'oxygène. En même temps, une fois qu'une molécule d'oxygène est liée par l'hémoglobine, des molécules d'oxygène supplémentaires se lient plus facilement à l'hémoglobine. D'autres facteurs tels que la température, le pH, la pression partielle de dioxyde de carbone et la concentration de 2,3-bisphosphoglycérate peuvent également améliorer ou inhiber la liaison de l'hémoglobine et de l'oxygène. L'hémoglobine fœtale a une structure différente de celle de l'hémoglobine adulte, ce qui entraîne une plus grande affinité de l'hémoglobine fœtale pour l'oxygène que l'hémoglobine adulte.

Le dioxyde de carbone est transporté dans le sang par trois mécanismes différents : sous forme de dioxyde de carbone dissous, sous forme de bicarbonate ou sous forme de carbaminohémoglobine. Une petite partie du dioxyde de carbone reste. La plus grande quantité de dioxyde de carbone transporté est sous forme de bicarbonate, formé dans les érythrocytes. Pour cette conversion, le dioxyde de carbone est combiné avec de l'eau à l'aide d'une enzyme appelée anhydrase carbonique. Cette combinaison forme de l'acide carbonique, qui se dissocie spontanément en bicarbonate et en ions hydrogène. À mesure que le bicarbonate s'accumule dans les érythrocytes, il est déplacé à travers la membrane vers le plasma en échange d'ions chlorure par un mécanisme appelé déplacement du chlorure. Au niveau des capillaires pulmonaires, le bicarbonate réintègre les érythrocytes en échange d'ions chlorure, et la réaction avec l'anhydrase carbonique est inversée, recréant du dioxyde de carbone et de l'eau. Le dioxyde de carbone diffuse ensuite hors de l'érythrocyte et à travers la membrane respiratoire vers l'air. Une quantité intermédiaire de dioxyde de carbone se lie directement à l'hémoglobine pour former de la carbaminohémoglobine. Les pressions partielles de dioxyde de carbone et d'oxygène, ainsi que la saturation en oxygène de l'hémoglobine, influencent la facilité avec laquelle l'hémoglobine lie le dioxyde de carbone. Moins l'hémoglobine est saturée et plus la pression partielle d'oxygène dans le sang est faible, plus l'hémoglobine se lie facilement au dioxyde de carbone. C'est un exemple de l'effet Haldane.

Normalement, les centres respiratoires du cerveau maintiennent un cycle respiratoire rythmique et constant. Cependant, dans certains cas, le système respiratoire doit s'adapter aux changements situationnels afin de fournir au corps suffisamment d'oxygène. Par exemple, l'exercice entraîne une augmentation de la ventilation, et l'exposition chronique à une haute altitude entraîne un plus grand nombre d'érythrocytes circulants. L'hyperpnée, une augmentation du rythme et de la profondeur de la ventilation, semble être fonction de trois mécanismes neuronaux qui incluent un stimulus psychologique, l'activation des motoneurones des muscles squelettiques et l'activation des propriocepteurs dans les muscles, les articulations et les tendons. En conséquence, l'hyperpnée liée à l'exercice est initiée au début de l'exercice, par opposition au moment où la demande tissulaire en oxygène augmente réellement.

En revanche, une exposition aiguë à une haute altitude, en particulier lors d'efforts physiques, entraîne de faibles niveaux d'oxygène dans le sang et les tissus. Ce changement est causé par une faible pression partielle d'oxygène dans l'air, car la pression atmosphérique en haute altitude est inférieure à la pression atmosphérique au niveau de la mer. Cela peut entraîner une condition appelée mal aigu des montagnes avec des symptômes qui incluent des maux de tête, une désorientation, de la fatigue, des nausées et des étourdissements. Sur une longue période, le corps d'une personne s'adaptera à la haute altitude, un processus appelé acclimatation. Pendant l'acclimatation, les faibles niveaux d'oxygène tissulaire amèneront les reins à produire de plus grandes quantités de l'hormone érythropoïétine, qui stimule la production d'érythrocytes. L'augmentation des niveaux d'érythrocytes circulants fournit une quantité accrue d'hémoglobine qui aide à fournir plus d'oxygène à l'individu, prévenant ainsi les symptômes du MAM.

Le développement du système respiratoire chez le fœtus commence vers 4 semaines et se poursuit pendant l'enfance. Le tissu ectodermique dans la partie antérieure de la région de la tête s'invagine postérieurement, formant des fossettes olfactives, qui fusionnent finalement avec le tissu endodermique du pharynx précoce. À peu près au même moment, une protrusion de tissu endodermique s'étend antérieurement à partir de l'intestin antérieur, produisant un bourgeon pulmonaire, qui continue de s'allonger jusqu'à former le bourgeon laryngotrachéal. La portion proximale de cette structure mûrira pour devenir la trachée, tandis que l'extrémité bulbeuse se ramifiera pour former deux bourgeons bronchiques. Ces bourgeons se ramifient ensuite de manière répétée, de sorte que vers la 16e semaine, toutes les principales structures des voies respiratoires sont présentes. Le développement progresse après la 16e semaine à mesure que les bronchioles respiratoires et les canaux alvéolaires se forment, et qu'une vascularisation étendue se produit. Les cellules alvéolaires de type I commencent également à prendre forme. Les cellules pulmonaires de type II se développent et commencent à produire de petites quantités de surfactant. À mesure que le fœtus grandit, le système respiratoire continue de se développer à mesure que de plus en plus d'alvéoles se développent et que plus de surfactant est produit. À partir d'environ la 36e semaine et jusqu'à l'enfance, les précurseurs alvéolaires mûrissent pour devenir des alvéoles pleinement fonctionnelles. À la naissance, la compression de la cavité thoracique force l'expulsion d'une grande partie du liquide des poumons. La première inhalation gonfle les poumons. Les mouvements respiratoires fœtaux commencent vers la 20e ou 21e semaine, et se produisent lorsque les contractions des muscles respiratoires amènent le fœtus à inhaler et à exhaler le liquide amniotique. Ces mouvements se poursuivent jusqu'à la naissance et peuvent aider à tonifier les muscles en préparation à la respiration après la naissance et sont un signe de bonne santé.