Il processo di respirazione, inalazione ed espirazione, comporta il movimento coordinato della parete toracica, dei polmoni e dei muscoli che li muovono. Due gruppi muscolari con ruoli importanti nella respirazione sono il diaframma, situato direttamente sotto i polmoni, e i muscoli intercostali, che si trovano tra le costole. Quando il diaframma si contrae, si muove verso il basso, aumentando il volume della cavità toracica e creando più spazio per i polmoni di espandersi. Quando i muscoli intercostali si contraggono, le costole si muovono verso l'alto e la gabbia toracica si espande, espandendo allo stesso modo la cavità toracica.

Ogni polmone è circondato da due membrane chiamate plurae, che sono separate da liquido. Questo fluido crea una forza adesiva che fa sì che i polmoni si allunghino con l'espansione della cavità toracica. L'aumento del volume nei polmoni riduce la pressione. Quando la pressione scende al di sotto della pressione atmosferica, questo produce un gradiente di pressione che sposta l'aria dall'atmosfera di pressione superiore ai polmoni a bassa pressione.

Quando il diaframma e i muscoli intercostali si rilassano, il volume dei polmoni diminuisce, aumentando la pressione nei polmoni. Man mano che la pressione aumenta oltre la pressione atmosferica, il gradiente di pressione risultante spinge l'aria fuori dal corpo. In questo modo, viene mantenuto il ciclo di inalazione ed espirazione.

Relazione pressione-volume

La legge di Boyle afferma che, ad una determinata temperatura in uno spazio chiuso, la pressione di un gas aumenta man mano che il volume del suo contenitore diminuisce. Detto in modo diverso, la pressione è inversamente proporzionale al volume. Questa legge, combinata con il movimento del gas dalle aree ad alta pressione alle aree a bassa pressione, spiega perché l'aria viene portata nei polmoni quando il diaframma si contrae.

Come aumentano di volume i polmoni?

Il diaframma si contrae, muovendosi verso il basso e aumentando il volume toracico, ma come fa questo ad aumentare il volume dei polmoni? Mentre i bronchi e i bronchiole sono rigidi e non si espandono (anche se possono bloccarsi o infiammarsi), gli alveoli, piccole sacche d'aria nei polmoni, permettono ai polmoni di aumentare di volume.

Malattie restrittive e ostruttive

Le malattie polmonari riducono il flusso di gas da e verso i polmoni e possono essere suddivise in due categorie: restrittiva e ostruttiva. Le malattie restrittive, come la fibrosi polmonare (cicatrici del polmone), limitano l'espansione dei polmoni. Le malattie ostruttive, come l'asma, l'enfisema e la bronchite cronica, ostacolano le vie respiratorie, limitando lo scambio di gas.

Tensioattivo

Le superfici interne degli alveoli sono rivestite con liquido che contiene surfactante, una miscela di fosfolipidi e lipoproteine. Il surfactante riduce la tensione superficiale del liquido alveolare, impedendo agli alveoli di collassare e rendendo più facile per gli alveoli l'espandersi con l'aria.

I bambini prematuri a volte non producono abbastanza surfactant nei loro polmoni, causando sindrome da stress respiratorio (RDS). Senza sufficiente surfactante, ci vuole un sacco di energia per mantenere gli alveoli aperti e riempiendo ripetutamente con aria, rendendo difficile per i bambini con RDS la respirazione.