Кислород и углекислый газ находятся в крови не только в физически растворенном, но и в химически связанном состоянии. Кислород в крови связан с гемоглобином, поэтому кислородная емкость крови (порядка 19 %) определяется содержанием в ней гемоглобина. Связывание кислорода с гемоглобином (с образованием оксигемоглобина) зависит от напряжения кислорода в крови и является легко обратимым процессом. При понижении напряжения кислорода оксигемоглобин отдает кислород. Углекислый газ только частично связан с гемоглобином; большая же часть его находится в крови в виде бикарбоната, образующегося в эритроцитах. Таким образом, в механизме транспорта кровью кислорода и углекислого газа важнейшая роль принадлежит эритроцитам, в которых содержатся гемоглобин и карбоангидраза.

В тканях кровь отдает кислород и поглощает углекислоту. Газообмен в капиллярах тканей также обусловлен диффузией вследствие разности напряжения газов в крови и тканях. Напряжение углекислого газа в клетках может достигать 60 мм рт. ст., в тканевой жидкости — около 46 мм рт. ст. Диффузируя по направлению более низкого напряжения, углекислый газ переходит из клеток в тканевую жидкость и далее в кровь, делая ее венозной. Клетки весьма энергично потребляют кислород, поэтому его напряжение в протоплазме клеток очень низкое (близкое к нулю), а в тканевой жидкости составляет порядка 20–40 мм рт. ст. Кислород непрерывно поступает в тканевую жидкость; в оттекающей от тканей венозной крови напряжение кислорода снижается до 40 мм рт. ст. Таким образом, кровь отдает приблизительно 30–40 % содержащегося в ней кислорода. Коэффициент утилизации кислорода увеличивается (до 50–60 %) при повышенных физических нагрузках.

Поступающий в клетки кислород обеспечивает тканевые окислительные процессы, происходящие в них с освобождением энергии и выделением углекислого газа и других веществ — продуктов жизнедеятельности.

Координированная ритмическая деятельность дыхательных мышц и приспособление дыхания к условиям внешней и внутренней среды организма обеспечиваются дыхательным центром, представляющим совокупность нервных клеток, расположенных в разных отделах центральной нервной системы. Факторами, вызывающими возбуждение дыхательного центра, являютсянапряжение углекислого газа и напряжение кислорода в крови. При понижении напряжения кислорода в крови наблюдается рефлекторное учащение ритма дыхания, а при незначительном повышении напряжения углекислого газа в крови происходит рефлекторное углубление дыхательных движений. Существенным в регуляции дыхания является то, что понижение напряжения углекислого газа в крови угнетает деятельность дыхательного центра и приводит к уменьшению объема вентиляции легких.

Для регуляции дыхательной деятельности характерны рефлекторность и автоматия. Однако в процессах регуляции дыхания принимают участие также вышележащие отделы центральной нервной системы. Важная роль в регуляции дыхания принадлежит большим полушариям головного мозга и их коре, благодаря которой осуществляется приспособление дыхательных движений при разговоре, различных видах деятельности.

На функциональное состояние дыхательного центра оказывают влияние факторы внешней среды и состояние организма человека.

Наиболее важными факторами внешней среды являются газовый состав и давление атмосферного воздуха. Существенное влияние на дыхание оказывают такие природные факторы внешней среды, как температура, влажность, подвижность воздуха, что обусловлено, в частности, участием дыхания в процессе теплообмена организма с внешней средой. Задымленность, запыленность воздуха, содержащиеся в нем различные примеси также оказывают воздействие на дыхание человека.

При мышечной работе, эмоциональном возбуждении и т. п. интенсифицируется обмен веществ, а следовательно, увеличиваются потребление кислорода и выделение углекислого газа, что сказывается на функции дыхания. Функциональное состояние дыхательного центра оказывается связанным и с питанием, поскольку после приема пищи обменные процессы в организме человека усиливаются.

Глубокие патологические нарушения дыхания могут иметь место при пребывании человека в условиях пониженного атмосферного давления. На высоте порядка 4000–6000 м могут возникнуть симптомы так называемой горной болезни, которая характеризуется рядом признаков, свидетельствующих о кислородной недостаточности — гипоксии. Причиной появления горной болезни является снижение парциального давления кислорода и углекислого газа в атмосферном воздухе.

При пониженном атмосферном давлении из-за низкого парциального давления кислорода снижается его напряжение в крови, что вызывает учащение дыхания. Это ведет к вымыванию углекислоты из крови. При этом понижается возбудимость дыхательного центра и дыхание не усиливается настолько, насколько это требуется для удовлетворения потребности организма в кислороде. Прибавка к вдыхаемому воздуху некоторого количества СО 2(до 3 %) вызывает заметное улучшение состояния организма при высотной болезни. Адаптация организма к пониженному парциальному давлению кислорода обеспечивается усилением легочной вентиляции, увеличением содержания эритроцитов в крови (повышением кислородной емкости крови), понижением чувствительности тканей к недостаточному снабжению кислородом, а также учащением и усилением сердечной деятельности, раскрытием капилляров тканей.

Интенсивность дыхания тесно связана с интенсивностью окислительных процессов в организме. Так, при тяжелой мышечной работе увеличиваются глубина и частота дыхательных движений. В соответствии с величиной выполняемой работы увеличивается вентиляция легких, параллельно возрастает и минутный объем кровотока, перестраивается работа всей системы кровообращения. Потребности организма в кислороде в состоянии покоя составляют 250–350 мл в минуту, а во время работы — 4500–5000 мл в минуту. Интенсивно работающие мышечные волокна испытывают недостаток кислорода, что является причиной накопления молочной кислоты в тканях и перехода ее в кровь. Молочная кислота вытесняет угольную кислоту из ее связей с ионами натрия и калия, что приводит к повышению напряжения углекислого газа в крови и к возбуждению дыхательного центра. Окисление образовавшейся во время работы мышц молочной кислоты завершается уже после окончания работы. Кроме этого, усиление легочной вентиляции при мышечной работе обусловлено и рефлекторными влияниями.