Wymiana gazowa, czyli pobieranie tlenu cząsteczkowego (O2) z otoczenia i odpływ dwutlenku węgla (CO2) do środowiska, jest niezbędna do funkcjonowania komórek. Wymiana gazowa podczas oddychania zachodzi w dużej mierze poprzez ruch cząsteczek gazu wzdłuż gradientów ciśnienia. Gaz przemieszcza się z obszarów o wyższym ciśnieniu cząstkowym do obszarów o niższym ciśnieniu parcjalnym. U ssaków wymiana gazowa zachodzi w pęcherzykach płucnych, które przylegają do naczyń włosowatych i dzielą z nimi błonę.
Kiedy płuca się rozszerzają, wynikający z tego spadek ciśnienia w stosunku do atmosfery wciąga tlen do płuc. Powietrze dostające się do płuc z otoczenia ma wyższe stężenie tlenu i niższe stężenie dwutlenku węgla niż krew zubożona w tlen, która przemieszcza się z serca do płuc. W ten sposób tlen dyfunduje z pęcherzyków płucnych do krwi w naczyniach włosowatych, skąd może być dostarczany do tkanek. Natomiast dwutlenek węgla dyfunduje z naczyń włosowatych do pęcherzyków płucnych, skąd może być wydalany przez wydychanie.
Przepływ gazu jest określany przez gradient ciśnienia każdego gazu, przy czym każdy gaz porusza się w dół swojego gradientu. Ciśnienie wywierane przez pojedynczy gaz w mieszaninie gazów jest jego ciśnieniem cząstkowym, a każdy gaz porusza się od wyższego do niższego ciśnienia cząstkowego. W związku z tym przemieszczanie sięO2 i CO2 nie jest bezpośrednio ze sobą związane.
Tlen jest wykorzystywany przez organizm ludzki do przekształcania cukru i innych cząsteczek organicznych w związek energetyczny ATP podczas procesu oddychania komórkowego. Produktem ubocznym oddychania komórkowego jest CO2 , który musi zostać usunięty z komórek, w przeciwnym razie zmieni pH i uszkodzi komórki. Ponieważ tlen jest niezbędny do dostarczania energii dla kluczowych funkcji komórkowych, a CO2 nie może się gromadzić, organizm ludzki potrzebuje stałego przepływu krwi do i ze wszystkich tkanek, aby umożliwić wymianę gazową.
Układ oddechowy i krążeniowy strukturalnie i funkcjonalnie spotykają się w pęcherzykach płucnych. Pęcherzyki płucne i naczynia włosowate są splecione i fizycznie się stykają, a ponieważ oba mają zwykle grubość jednej komórki, wymiana gazowa między nimi zachodzi łatwo. Mimo że płuca nie są duże, ilość wymienianychO2 i CO2 jest ogromna, ponieważ jest tak wiele pęcherzyków płucnych – setki milionów na płuco – o powierzchni około 100 m2!
