呼吸系統的功能整合了肺通氣力學、肺泡氣體交換、血液氣體運輸和中樞-化學感受器回饋調控四大面向，涉及流體力學、膜擴散物理學、血液生化和神經科學的交叉。
通氣力學的定量分析
肺的壓力-容積關係由順應性（compliance, C = ΔV/ΔP）描述。肺順應性取決於兩大因素：(1) 組織彈性纖維（elastin + collagen）的力學特性；(2) 肺泡氣-液界面的表面張力。表面張力的貢獻約佔肺回縮壓的 2/3。
根據拉普拉斯定律（P = 2T/r），若表面張力（T）恆定，小肺泡內壓大於大肺泡，小肺泡會排空進入大肺泡導致肺不張。肺泡表面張力素（surfactant）解決了這個問題——其主要成分 DPPC（dipalmitoylphosphatidylcholine，佔磷脂的 ~70-80%）和 surfactant proteins（SP-A, -B, -C, -D）在肺泡壓縮時密度增加，表面張力降低更多，穩定不同大小的肺泡。Clements（1957）首先以表面張力天平量測到 surfactant 這一動態特性。新生兒呼吸窘迫症候群（Neonatal RDS）因第二型肺泡細胞不成熟導致 surfactant 不足，外源性 surfactant 替代療法（Fujiwara et al., 1980）顯著降低了早產兒死亡率。
氣道阻力遵循 Poiseuille 定律（R = 8ηl/πr⁴），r 的四次方關係意味著氣道管徑的微小改變即造成阻力的劇烈變化。在氣喘中，支氣管平滑肌收縮 + 黏膜水腫 + 黏液分泌增加共同縮小氣道管徑。治療靶點包括 β₂ 腎上腺素受體促效劑（平滑肌弛緩）和吸入性皮質類固醇（抗發炎）。高雷諾數區域（氣管、主支氣管）的氣流從層流轉為紊流，阻力公式需修正。
通氣-灌流配對（V/Q Matching）
有效氣體交換要求每個肺泡單元的通氣量（VA）與血流灌注量（Q）匹配。West 等人（1964）利用放射性氣體技術建立了直立肺的三區模型（West zones）：
- Zone 1（肺尖）：PA > Pa > Pv → 微血管被壓閉，無血流（正常生理中幾乎不存在，但正壓通氣或低血壓時可能出現）
- Zone 2（中部）：Pa > PA > Pv → 血流量隨動脈壓與肺泡壓之差而變（Starling resistor 行為）
- Zone 3（肺底）：Pa > Pv > PA → 血流量取決於動靜脈壓差，血流最豐沛
整體 V/Q 比約 0.8。V/Q 不匹配的局部調節由缺氧性肺血管收縮（HPV）執行——肺泡 PO₂ 下降時局部肺小動脈收縮，將血流轉向通氣較好的區域。HPV 的分子機制涉及：低 O₂ 抑制平滑肌細胞 Kv 通道 → 膜去極化 → 電壓門控 Ca²⁺ 通道開啟 + Rho kinase 活化 → 血管收縮（Sylvester et al., 2012, Physiol Rev 的綜述）。全身缺氧時 HPV 導致全肺血管阻力上升 → 肺動脈高壓，是高海拔肺水腫的病理基礎。
氧合血紅素解離曲線的分子機制
Hb 的四個亞基（成人 HbA: α₂β₂）各含一個 heme（含 Fe²⁺ 的 protoporphyrin IX）可結合一個 O₂。O₂ 結合的正協同性（Hill 係數 ~2.8）源於四級結構在 T state（tense, 低親和力）與 R state（relaxed, 高親和力）之間的轉換——Perutz（1970）以 X 射線結晶學揭示了這一 allosteric 機制。第一個 O₂ 結合打破 T state 的鹽橋（特別是 α1β2 界面的 Asp94α-Asn102β 和 His146β 的鹽橋），使後續亞基更容易結合 O₂。
波爾效應的分子基礎：H⁺ 與 His146β 的 imidazole 側鏈結合，穩定 T state 的 His146β-Asp94β 鹽橋，降低 O₂ 親和力。CO₂ 與 α 鏈 N 端形成 carbamino 鍵，也穩定 T state。2,3-BPG 結合在 β 亞基中央空腔中的正電荷殘基（His2β, His143β, Lys82β），通過靜電交互作用穩定 T state。胎兒 HbF（α₂γ₂）的 γ 鏈以 Ser 取代 His143β，與 2,3-BPG 的結合減弱，曲線左移，有利跨胎盤 O₂ 攝取。
CO₂ 運輸的生化學
紅血球中碳酸酐酶（CA-II，kcat ~10⁶ s⁻¹，是已知最快的酶之一）催化 CO₂ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + H⁺。組織端：CO₂ 擴散入紅血球 → CA 催化產生 HCO₃⁻ 和 H⁺ → HCO₃⁻ 經 AE1（Band 3 蛋白）與 Cl⁻ 交換出細胞（chloride shift）→ H⁺ 被 deoxy-Hb 緩衝（Haldane 效應：deoxy-Hb 比 oxy-Hb 更能結合 H⁺ 和 CO₂）。肺部反向進行。Henderson-Hasselbalch 方程 pH = 6.1 + log([HCO₃⁻]/(0.03 × PCO₂)) 量化了呼吸（PCO₂）和代謝（HCO₃⁻）對動脈血 pH 的貢獻。
呼吸節律生成與化學調控
延腦 pre-Bötzinger complex（preBötC, Smith et al., 1991, Science）是呼吸節律的核心產生器。其 pacemaker 神經元的內在節律性依賴持續性鈉電流（INaP）和鈣活化的非選擇性陽離子電流（ICAN/TRPM4-5 通道）。Feldman & Del Negro（2006）提出 group-pacemaker 模型——節律浮現於互相興奮的神經元網路，而非依賴單一 pacemaker 細胞。橋腦的氣切中樞（pneumotaxic center, Kölliker-Fuse/parabrachial complex）透過抑制吸氣切換時間來調節呼吸頻率和潮氣量。
中樞化學感受器的分子感受機制：延腦腹面 retrotrapezoid nucleus（RTN）的 Phox2b 陽性神經元是 CO₂/H⁺ 的主要感受器（Guyenet et al., 2010）。RTN 神經元表面的 GPR4（proton-sensing GPCR）和 TASK-2（pH 敏感 K⁺ 通道）參與 H⁺ 感受。Phox2b 的多聚丙胺酸擴增突變導致先天性中樞換氣不足症候群（CCHS, Ondine's curse），患者在睡眠中失去自動呼吸驅動。
周邊化學感受器中，頸動脈體 glomus 細胞（type I cells）的 O₂ 感受涉及 mitochondrial complex I 的抑制 → 細胞內 ATP/AMP 比下降 → AMPK 活化 → 背景 K⁺ 通道（TASK-1/3）關閉 → 去極化 → Ca²⁺ 流入 → 釋放神經遞質（主要為 ATP 和 ACh）至舌咽神經纖維。Prabhakar（2006, Physiol Rev）提出活性氧（ROS）也參與 O₂ 感受信號轉導。