가스 교환(gas exchange), 즉 환경으로부터 분자 산소(O2)의 흡입과 환경으로의 이산화탄소(CO2)의 배출은 세포 기능에 필요합니다. 호흡 중 가스 교환은 주로 압력 구배(pressure gradient)를 따르는 가스 분자의 이동을 통해 이루어집니다. 가스는 부분 압력(partial pressure)이 높은 영역에서 부분 압력이 낮은 영역으로 이동합니다. 포유류의 가스 교환은 모세혈관과 인접해 있고 막을 공유하는 허파꽈리(alveoli; 폐포)에서 일어납니다.
허파(lung; 폐)가 팽창할 때, 대기에 대한 압력의 감소는 산소를 허파로 끌어들입니다. 환경에서 허파로 들어가는 공기는 심장에서 허파로 이동하는 혈액보다 산소 농도가 높고 이산화탄소 농도가 낮습니다. 따라서, 산소는 허파꽈리에서 모세혈관의 혈액으로 확산해 조직으로 전달됩니다. 반면, 이산화탄소는 모세혈관에서 허파꽈리로 확산하고, 숨을 내쉴 때 배출됩니다.
가스 흐름은 각 가스의 압력 구배에 의해 결정되며, 각 가스는 구배를 따라 이동합니다. 가스의 혼합물에서 개별 가스에 의해 가해지는 압력은 가스의 부분 압력이며, 각 가스는 더 높은 부분 압력에서 더 낮은 부분 압력으로 이동합니다. 따라서 O2와 CO2의 이동은 직접적인 관계가 없습니다.
산소는 세포호흡 과정 동안 당과 다른 유기 분자들을 에너지 화합물 아데노신삼인산(ATP)으로 전환하기 위해 인체에서 사용됩니다. 세포호흡의 부산물은 CO2이며, 세포에서 제거되어야 합니다. 그렇지 않으면 pH가 변화하여 세포가 손상됩니다. 중요한 세포 기능에 에너지를 공급하기 위해서는 산소가 필요하며, CO2가 쌓이는 것을 허용할 수 없기 때문에, 인간의 몸은 가스 교환을 가능하게 하기 위해 모든 조직을 오가는 일정한 혈액 흐름이 필요합니다.
호흡기관과 순환계는 구조적으로, 또 기능적으로 허파꽈리에서 만나게 됩니다. 허파꽈리와 모세혈관은 서로 얽혀 있고 물리적으로 접촉하며, 두 세포 모두 일반적으로 하나의 세포 두께이기 때문에 두 세포 사이에 가스 교환이 쉽게 일어납니다. 허파가 크지는 않지만, 표면적이 약 100m2(!)인 허파꽈리(허파당 수억 개)가 매우 많기 때문에 교환되는 O2와 CO2의 양은 매우 큽니다.
