En pratiquant l'analyse de l'air inspiré puis celle de l'air expiré, nous observons la même teneur en azote (79 %), une diminution de la teneur en oxygène (qui passe de 21 % à 16 %) et une augmentation de la teneur en dioxyde de carbone (qui passe de 0,03 % à 5 %). L'air expiré s'est donc appauvri en oxygène et enrichi en dioxyde de carbone. Par ailleurs, on constate, en soufflant sur une vitre froide, qu'il se forme de la buée : l'air expiré s'est donc chargé de vapeur d'eau.
Où est passé l'oxygène disparu et d'où vient le dioxyde de carbone supplémentaire ?
Étudions, pour chercher à comprendre, les modifications du sang au niveau pulmonaire.

Entre le sang entrant dans les poumons et le sang sortant des mêmes organes, nous observons pour 100 ml : la même teneur en azote, une augmentation de la teneur en oxygène de 15 à 20 ml et une diminution du dioxyde de carbone de 50 à 40 ml. Le sang, au niveau des poumons, s'est donc enrichi en oxygène et appauvri en dioxyde de carbone.
D'où provient l'oxygène en surplus dans le sang et où est passé le dioxyde de carbone disparu ?
Pour comprendre, il faut envisager les échanges entre l'air et le sang au niveau des poumons.

En comparant la composition gazeuse de l'air et celle du sang au niveau des poumons, nous constatons que l'oxygène est passé de l'air dans le sang, tandis que le dioxyde de carbone est passé du sang dans l'air. Ainsi, notre corps puise, dans l'air inspiré, l'oxygène dont il a besoin pour le fonctionnement de tous les organes (dont les muscles) et rejette, dans l'air expiré, le dioxyde de carbone qui est un déchet. Ces échanges imposent que l'air atmosphérique pénètre bien dans les poumons et que ces organes reçoivent beaucoup de sang. Analysons maintenant le siège des échanges : les alvéoles pulmonaires.

• Imaginons une expérience très simple. On insuffle de l'air, par la trachée, dans l'appareil respiratoire d'un mouton : les poumons se gonflent.
L'air pénètre bien dans la profondeur du tissu pulmonaire. Il en va de même pour l'espèce humaine.

• L'air inspiré pénètre par la bouche, le nez, la trachée qui se ramifie en bronches et bronchioles jusqu'aux sacs alvéolaires. Trachée et bronches sont des conduits qui comportent des anneaux cartilagineux facilitant le transport de l'air.
L'air expiré suit le même trajet, mais en sens inverse.

• Coupé sur sa tranche, un poumon frais montre, en réalité, deux types de conduits : des canaux aux parois rigides pourvues de petits cils (bronches et bronchioles) et d'autres aux parois plus flasques (vaisseaux) d'où peut surgir du sang. Il existe donc deux systèmes de canalisation distincts : un pour l'air et un pour le sang.

Chaque sac alvéolaire, situé à l'extrémité d'une bronchiole, comporte une surface plissée de nombreuses alvéoles. Les poumons humains seraient constitués de 700 millions d'alvéoles, qui, déplissées, pourraient couvrir une surface de 200 m². La structure alvéolaire du tissu pulmonaire lui fournit donc une très grande surface d'échanges. La frontière, au niveau de l'alvéole, entre l'air qui y parvient et le sang qui y circule dans de nombreux capillaires (vaisseaux très fins, du diamètre d'un cheveu) est seulement délimitée par une paroi humide de faible épaisseur (environ 1/1 000 mm ou 1 m m). Ainsi, les alvéoles sont bien le siège des échanges entre l'air et le sang.

• Chaque mouvement respiratoire comprend l'alternance d'une inspiration ou entrée de l'air atmosphérique et d'une expiration ou sortie de l'air depuis les poumons. Cette activité se réalise, au repos, chez l'homme, au rythme de 22 mouvements par minute. Si l'on mesure le tour du thorax avec un mètre de couturière, on constate une nette diminution du diamètre du thorax quand on passe de l'inspiration à l'expiration (il décroît, par exemple, de 75 cm à 67 cm). Le thorax change donc de diamètre au cours des mouvements respiratoires.

• L'appareil respiratoire, formé d'organes mous et fragiles, est protégé par des éléments du squelette formant la cage thoracique. Cette cage comporte, d'avant en arrière, le sternum, les côtes et la colonne vertébrale. Lors des mouvements respiratoires, la cage thoracique se déforme.

• Les côtes sont reliées entre elles par des muscles intercostaux, tandis que le plancher de la cage thoracique est fermé par un autre muscle, le diaphragme.

• Ainsi, au cours de l'inspiration, la contraction des muscles provoque le soulèvement des côtes, l'abaissement du diaphragme, ce qui entraîne une augmentation du volume de la cage thoracique et une entrée d'air. Les poumons, pourtant passifs mais solidaires de la cage thoracique grâce à la plèvre, se dilatent alors.

• Lors de l'expiration, les phénomènes inverses s'opèrent : les côtes s'abaissent, le diaphragme se soulève, le volume de la cage thoracique diminue, les poumons s'affaissent, l'air est alors chassé. L'alternance des mouvements respiratoires, entretenue par l'activité des muscles, assure donc en permanence le renouvellement des gaz dans les alvéoles pulmonaires.