กระบวนหายใจมี 2 ขั้นตอน คือ การหายใจภายนอกเซลล์ (external respiration หรือ breathing) คือ การนำอากาศเข้าสู่เซลล์ หรือร่างกาย และเกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างสิ่งแวดล้อมกับอวัยวะที่ใช้หายใจ เช่น ปอด เหงือก ผิวหนัง ท่อลมของแมลง ปากใบของ พืช เป็นต้น และการหายใจภายในเซลล์ (internal respiration หรือ cellular respiration) คือ ขั้นตอนของการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน ซึ่งต้องอาศัยปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้องหลายขั้นตอน โดยใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในขั้นตอนการหายใจระดับเซลล์

ระบบหายใจของคนประกอบด้วย 2 ส่วน ดังนี้

1. ส่วนนำอากาศเข้าสู่ร่างกาย (conducting division) ประกอบด้วย อวัยวะที่ทำหน้าที่ เป็นทางผ่านของอากาศเข้าสู่ส่วนที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส เริ่มตั้งแต่ รูจมูก (nostril) โพรงจมูก (nasal cavity) คอหอย (pharynx) กล่องเสียง (larynx) หลอดลมคอ (trachea) หลอดลม หรือขั้วปอด (bronchus) หลอดลมฝอย (bronchiole) ซึ่งยังแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ หลอดลมฝอยเทอร์มินอล (terminal bronchiole) และหลอดลมฝอยแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory bronchiole)

2. ส่วนแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory division) เป็นส่วนของหลอดลมฝอย ที่ต่อจากหลอดลมฝอยเทอร์มินอล คือหลอดลมฝอยแลกเปลี่ยนแก๊ส ซึ่งมีการโป่งพอง เป็นถุงลมย่อย (pulmonary alveoli) ซึ่งทำให้แลกเปลี่ยนแก๊สได้ สำหรับส่วนที่ต่อจากท่อลมฝอยแลกเปลี่ยนแก๊สจะเป็นท่อลม (alveolar duct) ถุงลม (alveolar sac) และถุงลมย่อย (pulmonary alveoli)

โครงสร้างตั้งแต่หลอดลม (bronchus) ที่มีการแตกแขนง และมีขนาดเล็กลงไปเรื่อยๆ คือหลอดลมฝอย ท่อลม ถุงลม ถุงลมย่อย จะเรียกว่า บรอนเคียลทรี (bronchial tree) ซึ่งจะถูกบรรจุอยู่ในปอดยกเว้นหลอดลมตอนต้นๆ ที่อยู่นอกปอด นอกจากนี้โครงสร้างที่กล่าวมาแล้วยังมีส่วนประกอบที่สำคัญซึ่งเป็นองค์ประกอบร่วมคือ กระดูกซี่โครง (rib) และกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครง(intercostal muscle) ซึ่งจะร่วมกันทำงานให้เกิดการหายใจเข้า หายใจออกและป้องกันอันตรายให้แก่ระบบหายใจด้วย

จมูกและปาก

ทั้งจมูกและปากจะต่อถึงคอหอยและหลอดลมคอได้ อากาศเมื่อ ผ่านเข้าสู่รูจมูกแล้วก็จะเข้าสู่โพรงจมูก ที่โพรงจมูกจะมีขนเส้นเล็กๆ และต่อมน้ำมันช่วยในการกรอง และจับฝุ่นละอองไม่ให้ผ่านลงสู่ปอด นอกจากนี้ ที่โพรงจมูกยังมีเยื่อบุจมูกหนาช่วยให้อากาศที่เข้ามามีความชุ่มชื้นเพิ่มขึ้นและมีอุณหภูมิสูงขึ้น เนื้องจากเส้นเลือดจำนวนมากที่อยู่ใต้เยื่อบุผิวของโพรงจมูก

ในจมูกจะมีบริเวณที่เรียกว่า ออลแฟกเทอรีแอเรีย (olfactory area) หรือบริเวณที่ทำหน้าที่รับกลิ่น โดยมีเซลล์เยื่อบุผิวซึ่งเปลี่ยนแปลงไป ทำหน้าที่โดยเฉพาะเรียกว่า ออลแฟกทอรีเซลล์(olfactory cell) ซึ่งมีพื้นที่ประมาณ 10 ตารางเซนติเมตร และจะมีขนาดเล็กลงเมื่ออายุมากขึ้น

คอหอย (pharynx)

เป็นบริเวณที่พบกันของช่องอากาศจากจมูกและช่องอาหารจากปาก อากาศจะผ่านเข้าสู่กล่องเสียง (larynx) ที่กล่องเสียงจะมีอวัยวะที่ทำหน้าที่ ในการปิดเปิดกล่องเสียงเรียกว่า ฝาปิดกล่องเสียง(epiglottis) ป้องกันไม่ให้อาหารตกลงสู่หลอดลม ที่กล่องเสียงจะมีเยื่อเมือกที่มีใยเอ็นยืดหยุ่นได้เรียกว่า เส้นเสียง (vocal cord) เมื่อลมผ่านกล่องเสียงจะทำให้เส้นเสียงสั่นและเกิดเป็นเสียงขึ้น

หลอดลมคอ (trachea)

เป็นท่อกลวงมีกระดูกอ่อนเรียงเป็นรูปเกือกม้า ทำให้หลอดลมคอไม่แฟบ หลอดลมคอของผู้ใหญ่ยาวประมาณ 9-15 เซนติเมตร โดยจะเริ่มจากกระดูกคอชิ้นที่ 6 จนถึงกระดูกอกชิ้นที่ 5 แล้วแตกแขนงเป็นหลอดลมขั้วปอด (bronchus) เข้าสู่ปอด

หลอดลมฝอย (bronchiole)

แบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ

- Terminal bronchiole แยกออกจากหลอดลมแขนงมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5-1 มิลลิเมตร พบกล้ามเนื้อเรียบและเยื่ออิลาสติกไฟเบอร์ ไม่พบโครงสร้างที่เป็นกระดูกอ่อน

- Respiratory bronchiole เป็นส่วนแรกที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส

ท่อลม (alveolar duct)

เป็นท่อส่วนสุดท้ายของส่วนที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory piston) ซึ่งจะไปสิ้นสุดที่ถุงลม (alveolar sac)

ถุงลมและถุงลมย่อย (alveolus หรือ alveolar sac และ pulmonary alveoli)

เป็นถุงมีเซลล์พิเศษหลั่งสารพวกฟอสโฟลิพิด (phospholipid) เรียกว่า เซอร์แฟกแทนท์ (surfactant) เข้าสู่ถุงลมย่อยเพื่อลดแรงตึงผิวของถุงลมย่อยไม่ให้ติดกัน ผนังของถุงลมย่อยมีรูซึ่งเป็นช่องติดต่อระหว่างถุงลมย่อย ทำให้อากาศภายในถุงลมย่อยมีแรงดันเท่ากันทั้งปอด ปอดแต่ละข้างจะมีถุงลมปอดประมาณ 300 ล้านถุง แต่ละถุงจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 0.25 เซนติเมตร คิดเป็นพื้นที่ทั้งหมดของการแลกเปลี่ยนแก๊สของถุงลมปอดทั้งสองข้างประมาณ 90 ตารางเมตรหรือคิดเป็น 40 เท่าของพื้นที่ผิวของร่างกาย การที่ปอดยืดหยุ่นได้ดีและขยายตัวได้มาก ทำให้ร่างกายได้รับแก๊สออกซิเจนและคายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์อย่างเพียงพอ

ปอด (lung)

เป็นอวัยวะที่ทำหน้าที่ในการหายใจ ปอดตั้งอยู่ภายในทรวงอกมีปริมาตรประมาณ 2 ใน 3 ของทรวงอก ปอดขวาจะสั้นกว่าปอดซ้าย เนื่องจากตับซึ่งอยู่ทางด้านล่างดันขึ้นมา ส่วนปอดซ้ายจะแคบกว่าปอดขวาเพราะว่ามีหัวใจแทรกอยู่

ปอดมีเยื่อหุ้มปอด (pleura) 2 ชั้น ชั้นนอกติดกับผนังช่องอก เรียกว่า พาเรียทอลพลิวรา (parietal pleura) ชั้นในติดกับผนังของปอดเรียกว่า วิสเซอรอลพลิวรา (visceral pleura) ระหว่างเยื่อทั้งสองชั้นมีของเหลวที่เรียกว่า พลิวรอลฟลูอิด (pleura fluid) เคลือบอยู่ การหุบและการขยายของปอดจะเป็นตัวกำหนดปริมาณของอากาศที่เข้าสู่ร่างกาย ซึ่งจะทำให้ร่างกายได้รับออกซิเจนถ่ายเทคาร์บอนไดออกไซด์ออกตามที่ร่างกายต้องการ

การสูดลมหายใจและการแลกเปลี่ยนแก๊ส

การหายใจ (breathing) ประกอบด้วย การหายใจเข้า และการใจออก โดยเกิดจากการทำงานร่วมกันของกล้ามเนื้อกะบังลม กล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงซี่โครงด้านนอกและกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงด้านใน โดยแบ่งการหายใจตามการเคลื่อนที่ของอากาศเป็น

1. การหายใจเข้า (inspiration)  กล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกหดตัว ทรวงอกและปอดขยายตัวขึ้นปริมาตรภายในปอดเพิ่มขึ้น ความดันภายในปอดจึงลดลงและต่ำกว่าบรรยากาศภายนอก อากาศภายนอกจึงเคลื่อนตัวเข้าสู่ปอด จนทำให้ความดันภายนอกและภายในปอดเท่ากันแล้วอากาศก็จะไม่เข้าสู่ปอดอีก

2. การหายใจออก (expiration) กล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกจะคลายตัวลง ปอดและทรวงอกมีขนาดเล็กลง ปริมาตรของอากาศในปอดลดลง ความดันภายในปอดสูงกว่าบรรยากาศภายนอก อากาศจึงเคลื่อนที่ออกจากปอดจนความดันในปอดลดลงเท่ากับความดันภายนอก อากาศก็จะหยุดการเคลื่อนที่

การหายใจเข้าออกจะเกิดสลับกัน โดยปกติผู้ใหญ่จะหายใจประมาณ 15 ครั้งต่อนาที ส่วนในเด็กจะมีอัตราการหายใจสูงกว่าผู้ใหญ่เล็กน้อย

ตารางเปรียบเทียบการหายใจเข้าออก

การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายของคน

เกิดขึ้น 2 แห่งคือที่ปอดและที่เนื้อเยื่อ

- ปอด เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างในถุงลมปอดกับเส้นเลือดฝอย โดยออกซิเจนจากถุงลมปอดจะแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยรอบๆ ถุงลมปอดและรวมตัวกับฮีโมโกลบิน (hemoglobin; Hb) ที่ผิวของเม็ดเลือดแดง กลายเป็นออกซีฮีโมโกลบิล (oxyhemoglobin; HbO2) ซึ่งมีสีแดงสด เลือดที่มีออกซีฮีโมโกลบินนี้ จะถูกส่งเข้าสู่หัวใจและสูบฉีดไปยังเนื้อเยื่อต่างๆ ทั่วร่างกาย

- เนื้อเยื่อ ออกซีฮีโมโกลบินจะสลายให้ออกซิเจนและฮีโมโกลบิน ออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่เซลล์ทำให้เซลล์ของเนื้อเยื่อได้รับออกซิเจน ขณะที่เนื้อเยื่อรับออกซิเจนนั้น คาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นในเซลล์ก็จะแพร่เข้าเส้นเลือด คาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยากับน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดงเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (H₂CO₃) ซึ่งแตกตัวต่อไป ได้ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน (HCO₃-) และไฮโดรเจนไอออน (H⁺)

เมื่อเลือดที่มีไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนมากไหลเข้าสู่หัวใจ จะถูกสูบฉีดต่อไปยังเส้นเลือดฝอยรอบๆ ถุงลมปอด ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน และไฮโดรเจนไอออน จะรวมตัวกันเป็นกรดคาร์บอนิก แล้วจึงสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง เป็นผลให้ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์ในเส้นเลือดฝอยสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลมปอด จึงเกิดการแพร่ของคาร์บอนไดออกไซด์จากเส้นเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลมปอด

กลไกการลำเลียงออกซิเจน

มี 2 วิธี คือ

1. จับกับ hemoglobin เป็นหลัก (97%)
2. ละลายใน plasma (3%)

กลไกการลำเลียงคาร์บอนไดออกไซด์

มี 3 วิธี คือ 

1. ละลายใน plasma ของเซลล์เม็ดเลือดแดง (7%)
2. จับกับ hemoglobin ในเซลล์เม็ดเลือดแดง (23%) 
3. จับกับ H₂O ในเซลล์เม็ดเลือดแดง (70%)

การควบคุมกระบวนการหายใจ

การควบคุมการหายใจแบ่งเป็น 2 แบบ คือ 

1. การควบคุมแบบอัตโนวัติ (involuntary regulation) 

- respiratory center : pons and medulla oblongata (brain stem) ถ้าตัด pontine center ออกจะทำให้หายใจช้าลง ถ้าตัด medullary center ออกไปการหายใจจะหยุด
- respiratory center คือ chemoreceptor มีความไวต่อความเข้มข้นของ CO₂ มากที่สุด ส่วนสารอื่นๆ ที่มีผลรองลงมา ก็เช่น H+, O₂

2. การควบคุมใต้อำนาจจิตใจ (voluntary regulation)

เป็นการบังคับการหายใจได้ เช่น สามารถกลั้นหายใจได้ แต่จะไม่นานนัก เนื่องจากเมื่อกลั้นหายใจจะทำให้ปริมาณของ CO₂ เพิ่มขึ้น ซึ่งมีผลไปกระตุ้นการหายใจโดยผ่านระบบประสาทอัตโนมัติ ศูนย์ควบคุมอยู่ที่บริเวณสมองส่วนท้าย คือ เมดัลลาออบลองกาตา (medulla oblongata) และพอนส์ (pons)

ศูนย์ควบคุมการหายใจ (The respiratory centers)

อยู่ที่สมองส่วน เมดัลดา ออบลองกาตา (medulla oblongata) โดยเป็นเซลล์ประสาทกระจายอยู่ทางด้านข้างทั้งสองข้าง ศูนย์นี้จะมีความไวต่อปริมาณของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ หรือไฮโดรเจน คาร์บอเนตไอออน และไฮโดรเจนไอออน ซึ่งสารต่างๆ เหล่านี้จะกระตุ้นทำให้เกิดการหายใจเข้าเพิ่มมากขึ้น ดังนั้น ถ้าหากมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดเพิ่มขึ้น ก็จะทำให้เกิดการการกระตุ้นเพิ่มขึ้นด้วย ศูนย์ควบคุมการหายใจยังแบ่งออกเป็น 2 ศูนย์คือ

1. ศูนย์หายใจเข้า (inspiratory area) พบอยู่ส่วนบนของเมดัลลา ออบลองกาตา เป็นศูนย์ที่มีความสำคัญต่อการหายใจมากที่สุด ขณะหายใจออกกลุ่มเซลล์บริเวณนี้จะอยู่ภาวะพัก คือไม่สร้างสัญญาณประสาท แต่หลังจากหายใจออก 2-3 วินาที ศูนย์นี้จะสร้างและส่งกระแสประสาทไปยังกล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อมัดอื่นๆ ที่ทำให้เกิดการหายใจเข้าหดตัว และเริ่มการหายใจเข้า ต่อจากนั้นจะหยุดทำงานชั่วคราว และจะเริ่มทำงานโดยสร้างและส่งกระแสประสาทไปยังกล้ามเนื้อหายใจเข้าต่อไป

2. ศูนย์หายใจออก (expiratory area) เป็นกลุ่มเซลล์ประสาทที่อยู่ทางด้านล่างของเมดัลลา ออบลองกาตา การหายใจปกติเมื่อมีการหายใจเข้าศูนย์หายใจเข้าจะทำงาน แต่เมื่อหายใจออกตามปกติศูนย์หายใจออกจะไม่ทำงาน เนื่องจากการหายใจออกจะเกิดขึ้นเองจากการหดกลับของปอดและทรวงอก แต่เมื่อมีการหายใจแรงขึ้นมากกว่าปกติ ศูนย์หายใจออกจะถูกกระตุ้นจากศูนย์หายใจเข้า ให้ส่งสัญญาณไปยังกล้ามเนื้อหายใจออกทำให้หายใจออกแรงกว่าปกติ

การวัดอัตราการหายใจ

การหายใจเข้าและการหายใจออกของคนเป็นจังหวะที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งเกี่ยวข้องกับเมแทบอลิซึม กิจกรรมต่างๆ ของเซลล์เป็นผลจากเมแทบอลิซึมเซลล์ที่ใช้พลังงานมาก แสดงว่า มีอัตราเมแทบอลิซึมสูง

แต่การวัดอัตราเมแทบอลิซึมโดยตรงนั้นทำได้ยาก จึงเปลี่ยนเป็นการวัดอัตราการใช้ออกซิเจนแทน โดยถือว่าเซลล์หรือร่างกายที่มีอัตราเมแทบอลิซึมสูงจะมีอัตราการนำออกซิเจนเข้าสูงด้วย

ตารางแสดงอัตราการหายใจของสัตว์บางชนิดขณะพัก

ความจุของปอด 

ปริมาตรอากาศที่หายใจเข้าปกติ แต่ละครั้งมีประมาณ 500 ลูกบาศก์เซนติเมตร ถ้าบังคับให้มีการหายใจเข้าเต็มที่มากที่สุด จะมีอากาศเข้าไปยังปอดเพิ่มมากขึ้นจนอาจถึง 6,000 ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเป็นระดับที่ปอดจะจุอากาศได้เต็มที่เช่นเดียวกับการบังคับการหายใจออกเต็มที่ อากาศจะออกจากปอดมากที่สุดเท่าที่ความสามารถของกล้ามเนื้อกะบังลม และกล้ามเนื้อซี่โครงจะทำได้ ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อหายใจออกเต็มที่แล้ว ยังคงมีอากาศตกค้างในปอดประมาณ 1,100 ลูกบาศก์เซนติเมตร

ในคนที่ออกกำลังกายอยู่เสมอ เช่น นักกีฬา ซึ่งสามารถสูดลมหายใจเข้าเต็มที่ได้มากกว่าคนทั่วไป เพราะกล้ามเนื้อที่ใช้ในการสูดลมหายใจทำงานได้ดี คนกลุ่มนี้จะทำกิจกรรมอยู่ได้นานและเหนื่อยช้ากว่าคนทั่วไป