機體組織細胞生存有賴于持續的氧供（DO ₂），氧耗（VO ₂）則是代謝需求的反映，在心肺和血液系統功能相互配合下，達到合適的氧供需平衡，才能維持良好的組織氧合和生命功能，這一過程由呼吸、循環和血液系統共同完成，從大氣到肺泡、血液和組織細胞的氧分壓呈逐漸下降趨勢，稱氧階梯。

壓力階差是氣體彌散的動力，肺泡內氧分壓高于肺毛細血管，氧由肺泡進入肺毛細血管，毛細血管內的氧分壓高于組織，氧可以彌散進入周圍細胞。氧在細胞內代謝產生二氧化碳，通過壓力階差進入毛細血管，通過肺泡排出體外。

肺泡內的PaO ₂是104mmHg，進入肺毛細血管的靜脈血PaO ₂是40mmHg，最初的氧分壓差為64mmHg，血液PaO ₂迅速升高接近104mmHg。98%進入左心房的血液是經過肺毛細血管氧合的血液，PaO ₂在104mmHg僅2%的血液是由主動脈直接進入支氣管循環供應肺組織自身代謝后回流的靜脈血。這部分血液即生理分流，造成左心室血氧分壓下降至95mmHg。當動脈血進入周圍組織毛細血管，其氧分壓95mmHg，組織液氧分壓為40mmHg，氧迅速向組織液彌散，通過毛細血管后血PaO ₂降至40mmHg。氧最終用于細胞代謝，細胞內PaO ₂低于組織液和毛細血管血液，由于氧由毛細血管到達組織細胞的彌散距離不等，正常細胞內PaO ₂從5mmHg到40mmHg不等，平均為23mmHg（圖2-1）。由于滿足細胞生化反應所需的PaO ₂差僅為1～3mmHg，所以細胞內23mmHg的PaO ₂有很大的安全保障。

細胞產生的二氧化碳順二氧化碳壓力梯度進入毛細血管之后再進入肺泡排出，與氧轉運的方向相反。但是二氧化碳的彌散速度是氧的20倍。所以驅動二氧化碳彌散的二氧化碳壓力階差較氧壓力階差低。動脈血PCO ₂為40mmHg，細胞內PCO ₂大約 46mmHg，組織液 PCO ₂約為 45mmHg，毛細血管靜脈端PCO ₂約45mmHg，進入肺泡毛細血管動脈端PCO ₂為45mmHg，在血液通過肺泡毛細血管長度的1/3時，PCO ₂已降至40mmHg，與肺泡PCO ₂相等。

97%的氧是以與血紅蛋白（Hb）結合的形式存在，溶解的氧僅占3%。氧與血紅蛋白可逆性結合，氧離曲線反映了不同PaO ₂下O ₂與Hb的結合及分離情況。如圖2-2，氧離曲線的上段，相當于PaO ₂ 60～100mmHg，即PaO ₂較高的水平，可以認為是Hb與O ₂結合的部位。這段曲線較平坦，表明PaO ₂的變化對Hb氧飽和度影響不大。只要PaO ₂不低于60mmHg，Hb氧飽和度仍能保持在90%以上。氧離曲線的中段，相當于PaO ₂ 40～60mmHg，是HbO ₂釋放O ₂的部分。該段曲線較陡。PaO ₂ 40mmHg，相當于混合靜脈血的PaO ₂，此時Hb氧飽和度約為75%，血氧含量約14.4ml%，即每100ml血液流過組織時釋放了5ml O ₂。血液流經組織時釋放出的氧容積相當動脈血氧含量的百分數稱為氧的利用系數，組織在毛細血管從動脈血中攝取氧的百分比稱為氧攝取率（oxygen extraction ratio，O ₂ER），可用公式：O ₂ER=VO ₂/DO ₂。正常值為22%～32%。O ₂ER=CaO ₂-CvO ₂/CaO ₂×100。DO ₂減少時，機體通過增加O ₂ER而維持VO ₂恒定，O ₂ER最高可超過70%。氧離曲線的下段，是最陡的一段。在組織活動加強時，PaO ₂可降至15mmHg，HbO ₂進一步解離，Hb氧飽和度降至更低的水平，血氧含量僅約4.4ml%，這樣每100ml血液能供給組織15ml O ₂，O ₂的利用系數提高到75%，是安靜時的3倍，此段代表O ₂的儲備。

Hb與O ₂的結合和解離受多種因素影響，使氧離曲線的位置偏移，即使Hb對O ₂的親和力發生變化。通常用P50表示對O ₂的親和力。P50增大，表明Hb對O ₂的親和力下降，曲線右移；反之，P50降低，曲線左移。在CPB中有許多因素可以影響氧離曲線的傾斜度及曲線的位移，包括pH、PCO ₂、溫度、2，3-DPG等，這些值的變化影響氧的輸送。

細胞內呼吸酶系統在PaO ₂高于1mmHg時即可觸發，氧供不是這種生化反應的限速環節，最重要的限速因素是細胞內ADP濃度。不同細胞內ADP濃度下細胞內PaO ₂和氧利用率不同。當細胞內PaO ₂高于1mmHg時，細胞氧利用率是固定的。當ADP濃度變化時，氧利用率與其成正比相應變化。

組織細胞與毛細血管的距離很少超過50μm，氧可以快速由毛細血管彌散入細胞供應細胞代謝所需。偶爾細胞與毛細血管距離較遠，氧彌散至此的量極少，細胞內PaO ₂低于1mmHg，在這種條件下，細胞氧利用受彌散限制，而非ADP濃度。但除非為病理狀態，否則這種情況幾乎不會發生。

組織中每分鐘的氧供量取決于單位體積血液的氧含量和每分鐘組織的灌注流量，如果灌注流量為零，則氧供量為零。當組織灌注流量下降時，組織細胞內的PaO ₂有可能下降到1mmHg以下，在這種情況下，組織氧利用受灌注流量的限制，無論細胞氧利用是受彌散限制還是灌注流量限制，都不會持續太長時間，因為很快細胞氧供就會低于維持生存的水平。

氧的轉運正常狀況下PaO ₂為95mmHg，100ml水中溶解的氧含量是0.29ml。當PaO ₂在組織毛細血管中降至40mmHg時，還有0.12ml溶解狀態的氧，也就是說，有0.17ml溶解狀態的氧進入組織，與100ml血液血紅蛋白釋放5ml的氧比較，所占比例很少。當患者吸入高濃度氧時，溶解狀態的氧轉運量大大增加，甚至發生氧中毒，可能發生癲癇甚至死亡。