Чтобы разрешить эту проблему, мы и все другие порядочного размера многоклеточные организмы используют соединения более или менее сложные, способные образовывать свободные связи с молекулами кислорода. В жабрах или легких эти соединения вступают во взаимодействие с кислородом, за счет этого в определенном объеме крови может удерживаться гораздо больше кислорода, чем при простом растворении. В тканях слабые связи этих соединений с кислородом разрушаются, и кислород проникает в клетки. Эти кислороднесущие соединения обычно окрашены, хотя цвет не имеет непосредственной связи с проблемой транспортировки кислорода, поэтому обычно о них говорят как о дыхательных пигментах. Эти пигменты по своей природе белки, а следовательно, состоят из больших и сложных молекул, составленных из тысяч, а иногда и сотен тысяч атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Кроме того, в каждой молекуле почти неизменно содержится один или более атом какого-нибудь металла. По большей мере металлом обычно бывает железо, но многие ракообразные и моллюски пользуются дыхательным пигментом, содержащим медь. Этим медьсодержащим соединением является гемоцианин (что по-гречески «синяя кровь»), а поскольку это соединение синего цвета, животные, использующие его, действительно имеют синюю кровь. Самые примитивные хордовые оболочечники имеют дыхательный пигмент, содержащий ванадий, а у некоторых моллюсков дыхательный пигмент содержит марганец, но это исключения.
Дыхательный пигмент человека и всех позвоночных животных содержит железо и называется гемоглобин (почему — я объясню потом). Повсюду в животном мире существует множество других железосодержащих дыхательных пигментов, но ни один не столь эффективен, как гемоглобин. Тем не менее наличие такого соединения присуще не только позвоночным. Даже земляной червь в этом отношении доводится нам родственником, поскольку и у него имеется гемоглобин.
Молекула гемоглобина содержит приблизительно 10 000 атомов и имеет молекулярный вес 67 000 (то есть ее молекулярный вес в 67 000 раз больше, чем у одного атома водорода, легчайшего из всех атомов). Большая часть молекулы гемоглобина состоит из аминокислот, относительно небольших соединений, присутствующих в структуре всех белков. Однако каждая молекула также содержит четыре группы атомов, которые по природе своей совсем не аминокислоты. Эти группы содержат атомы, выстроенные в большой круг, составленный из четырех меньших кругов (очень стабильная структура, особенно в данном случае), а в самом центре находится атом железа.