Mõiste “hingamine” viitab kahele eraldi protsessile, mis mõlemad toimuvad elusolendites ja on seotud energia genereerimisega. Üks on füsioloogiline hingamine, protsess, mille käigus organism võtab hapnikku ja eritab süsihappegaasi. Teine on rakuhingamine, seeria biokeemilisi reaktsioone, mis võimaldavad rakul energiat genereerida.
Füsioloogiline hingamine
Sellel protsessil inimestel ja teistel imetajatel on neli etappi ja need näitavad hapniku kulgu alates sissehingamisest kopsudesse kuni imendumiseni siseorganites ja muudes kudedes. See hõlmab ka süsihappegaasi väljahingamist.
Ventilatsioon
Esimene etapp on ventilatsioon, mille käigus õhk liigub kopsualveoolidesse ja sealt välja. Need on kiulised kollageenistruktuurid, mis laienevad sissehingamisel, et võtta endasse maksimaalne kogus hapnikku; väljahingamisel tõmbuvad nad kokku ja eraldavad süsinikdioksiidi. Alveoolid esinevad ainult imetajate kopsudes; samas on sarnased struktuurid ka teistel selgroogsetel loomadel, nagu roomajad ja linnud.
Kopsugaasivahetus
Selles etapis siseneb alveoolidest hapnik kopsukapillaaride kaudu vereringesüsteemi. Alveoolid ja kopsukapillaarid on eraldatud vaid kahe raku paksuse barjääriga; selle barjääri läbimisel seonduvad hapnikumolekulid punastes verelibledes hemoglobiiniga, mis on eriline valk.
Gaasi transport
Gaasi transport algab kopsukapillaarides. Selles etapis liigub hemoglobiiniga seotud hapnik läbi vereringesüsteemi veresoonte, sisenedes lõpuks kogu keha kapillaaridesse. Kapillaarid toidavad elundeid, näärmeid ja muid kudesid, mis vajavad funktsioneerimiseks pidevat hapnikuvarustust.
Perifeerne gaasivahetus
Viimane etapp on perifeerne gaasivahetus, mille käigus hapnik liigub kapillaaridest rakkudesse. See juhtub sarnaselt sellega, kuidas gaasid difundeeruvad kopsudes alveoolide ja kopsukapillaaride vahel. Jääkgaasid, näiteks rakkude poolt eritatav süsihappegaas, sisenevad kapillaaridesse ja liiguvad vereringesüsteemi kaudu kopsudesse, kus need vabanevad väljahingamisel.
Muud füsioloogilised süsteemid
Hingamine ei ole ainult kopsudega organismide puhul. Näiteks enamikul kalaliikidel esineb see lõpustes, mis võimaldavad loomadel veest hapnikku ammutada. Kahepaiksetel toimub suurem osa gaasivahetusest naha kaudu; kopsud pakuvad vahendit keha hapnikutaseme kontrollimiseks, toimides sekundaarse hapnikuallikana. Taimed toodavad hapnikku fotosünteesi teel ja võtavad rohkem hapnikku lehtede difusiooni teel. Sõltumata füüsikalisest protsessist võtavad kõik need organismid hapnikku ja eritavad süsihappegaasi, nagu imetajadki.
Rakuhingamine
Füsioloogilise hingamise kaudu kudedesse viidud hapnikku kasutatakse kõigis rakkudes rakulise hingamise biokeemilises protsessis. See protsess, mida nimetatakse ka oksüdatiivseks metabolismiks, on keemiliste reaktsioonide kogum, millest paljud hõlmavad hapnikku ja mis võimaldavad kehal teatud molekule kasutatavaks energiaks muuta. Looma- ja taimerakkudes toimuvad reaktsioonid, mis muudavad toitained energiarikkaks molekuliks, mida nimetatakse adenosiintrifosfaadiks (ATP).
Rakuhingamiseks on vaja hapnikku, sest kogu hingamisprotsessi vältel toimuvad paljud oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioonid, mida nimetatakse ka redoksreaktsioonideks. See gaas on võimas oksüdeerija, mis tähendab, et keemilistes reaktsioonides võib see kergesti anda oma olemasolevaid elektrone. See muudab selle reaktsioonides väga kasulikuks.
Tekkivaid reaktsioone nimetatakse ka kataboolseteks, kuna need purustavad suured toitainete molekulid väiksemateks. Need molekulid on suhkrud, mis on saadud süsivesikutest; rasvhapped toidurasvast; ja aminohapped, mis on saadud valkudest. Toitainete lagunemisel vabanevad elektronid ja elektrone kasutatakse reaktsioonides, mis toodavad ATP-d. Seda energiarikast molekuli kasutatakse seejärel rakkudes peaaegu kõigi neis toimuvate reaktsioonide käivitamiseks.
Anaeroobne rakuhingamine
Loomade ja taimede, aga ka paljude bakteriliikide puhul on rakuhingamise tüüp aeroobne, mis tähendab lihtsalt, et see kasutab hapnikku. Mõne bakteriliigi puhul on hingamine anaeroobne, mis tähendab, et see ei kasuta hapnikku. Selle asemel kasutavad need organismid asendajana selliseid molekule nagu nitraat või väävel. Mõned neist on isegi arenenud nii kaugele, et nad saavad elada ainult hapnikuvabas keskkonnas.