Воздух у птиц не просто один раз входит в лёгкие и выходит из них. Каждый вдох проходит через дыхательную систему дважды. Поток воздуха направляется цепочкой внутренних воздушных мешков, которые работают как меха и распределители потока, но сами по себе почти не участвуют в газообмене.

В основе этой конструкции лежит однонаправленный поток воздуха через жёсткие парабронхи в лёгком — структуру, которая значительно отличается от маятникообразной вентиляции альвеол у млекопитающих. Когда птица вдыхает, задние воздушные мешки заполняются свежим воздухом, а передние получают воздух, уже прошедший через лёгкое. При выдохе задние мешки проталкивают неиспользованный свежий воздух вперёд, через парабронхи, а передние мешки выбрасывают обеднённый воздух наружу. Один вдох таким образом обеспечивает два последовательных прохода воздуха мимо крови, поддерживая высокий градиент парциального давления кислорода и заметно повышая эффективность газообмена по сравнению с тем, на что способен сопоставимый по размеру лёгочный аппарат млекопитающего при таком же базовом уровне обмена веществ.

Эта двухступенчатая схема, известная в респираторной физиологии как перекрёстная система обмена, сводит к минимуму потери на «мёртвое пространство» и делает подачу кислорода устойчивой даже во время интенсивного полёта. Она также хорошо работает в разреженном воздухе на высоте, где лёгкие млекопитающих с трудом поддерживают диффузию. За счёт управления потоком воздуха, а не простого надувания лёгочной ткани, птица превращает каждый вдох в продуманно организованный цикл по извлечению большего количества пригодной энергии из того же объёма воздуха.