почему при определённой концентрации углекислого газа в крови дыхание восстанавливается непроизвольно?

Насыщение крови углекислым газом вызывает 
соответствующее увеличение уровня кислотности крови. Специальные 
ячейки в нашем мозге, называемые хеморецепторами, контролируют 
уровень кислотности. Они настолько чувствительны, что заставляют 
инстинктивно удвоить темп вашего дыхания даже если концентрация CO2 
повысилась всего на 3%.

ну, потому что постуает сигнал дыхательному центру 'выдыхай'.