La fonction essentielle des poumons est d’assurer des échanges gazeux : d’une part le transfert du dioxygène présent dans l’air ambiant vers le sang, qui assure son acheminement vers les organes et, d’autre part, l’évacuation du dioxyde de carbone vers le monde extérieur.
Ces transferts utilisent les deux principaux phénomènes physiques de propagation d’une substance gazeuse : le transport advectif et la diffusion. On peut décrire le destin d’une molécule de dioxygène de la façon suivante : lors d’une phase d’inspiration, la molécule est entraînée par le mouvement général de l’air extérieur vers l’intérieur du poumon (advection) ; elle parcourt en une fraction de seconde la partie conductrice de l’arbre bronchique, jusqu’à atteindre la zone acinaire, au niveau de laquelle se produit le transfert vers le sang. Elle pénètre ainsi l’un des 300 millions d’alvéoles (il s’agit de petites cavités d’un diamètre proche du quart de millimètre). À ce stade, la vitesse de l’air est très faible, et le mouvement de notre molécule est essentiellement erratique, du fait de collisions avec d’autres molécules (mouvement diffusif). Elle vient à rencontrer la membrane alvéolo-capillaire (très mince, cette membrane sépare les alvéoles des vaisseaux sanguins appelés capillaires, dans lesquels transite le sang), la traverse et pénètre dans un des nombreux capillaires. Elle continue son parcours chaotique dans le plasma, puis rencontre un globule rouge, pénètre ce globule rouge et finit par être piégée par une macromolécule appelée hémoglobine…