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血是红的,静脉为什么是蓝的?

环球科学 2022/10/28 15:02:04 责编:子非

图片来源:Pixabay

你应该不是蓝血人,也最好不要成为蓝血人。

在欧洲,“蓝血”曾经是高贵身份的象征。

公元 9 世纪,西班牙贵族正试图从摩尔人的手里夺回伊比利亚半岛。在史学家罗伯特・莱西(Robert Lacey)的描述中,战前贵族会高举手臂,蓝色的静脉在白皙的皮肤上尤为显眼,他们以此表明自己血统纯正,未被深色皮肤的摩尔人污染。

最初,这样的做法或许是为了鼓舞士气。当时的西班牙人可能也没有想到,“贵族血液不是红色而是蓝色”的概念,将会传播到更广阔的世界里去。由于上流社会的人们不常将皮肤暴露在阳光下,与整日在户外劳作而晒黑的普通人相比,贵族的肤色偏浅,蓝色的静脉也显得更清晰 —— 整个欧洲一度都流行用“蓝血”来表达上层与下层之间的分别。

如今我们已经知道,不论身份或阶层,人类的血液通常不会是蓝色的。然而,为什么从手腕上看到的静脉会是蓝色的?

血色是什么色?

中学生物告诉我们,从心脏出发的动脉血,能将氧气输送到身体各处。释放了氧气之后的血液,则会沿着各级静脉流回心脏。至于动脉血或静脉血在人们眼中是什么颜色,这与血液循环过程有关,或者说与这个过程中血液反射和吸收的光线有关。

一束白光,是由红橙黄绿青蓝紫等各种不同波长的光混合而成。动脉血之所以鲜红,是因为血红蛋白与氧气结合后,能将更多的红光反射进人们眼里;相比之下,静脉血中的血红蛋白脱去一些氧气,吸收的红光变多,反射的红光变少,很难保持动脉血那样鲜红的颜色。抽血时我们看到的暗红色血液,也是静脉血。

上面两管是静脉血(图片来源:Wesalius via Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

更具体地说,在血红蛋白当中,决定颜色的部分其实是血红素(heme)。血红素是一种含铁的卟啉化合物,以铁原子为中心的环状结构包含大量的共轭双键,让分子能够吸收可见光,并显现出特定的颜色。

氧气遇到血红蛋白后,正是要与血红素中的铁相结合,方能被搬运到其他组织或器官。一个血红蛋白分子最多可以携带四个氧气分子,结合的氧气分子数量不同,血红蛋白吸收光线的波长范围也有所不同。因此,含氧量低的静脉血与含氧量高的动脉血颜色会有区别。

但不论鲜红还是暗红,健康的血液都是红色的,不是蓝色的。我们看到的蓝色静脉,究竟是怎么来的?

你看到的是什么色?

把一管静脉血摆在眼前,和透过皮肤看静脉,是两种不同的情况。

一束白光打在皮肤上,和打在透明玻璃容器上不一样。在组成白光的各种色光当中,红光的波长约在 625-750 纳米之间,而蓝光的波长约在 450-485 纳米之间。通常,波长更长的光线更容易穿透介质,红光穿过皮肤不是一件难事,而蓝光在进入皮肤后,容易被散射到四面八方,更难抵达皮肤深处。

这就好像,太阳会释放出各种波长的光,但我们看到的天空却常常是蓝色。大气中存在许多微小颗粒,直径比那些可见光的波长还短。红光或蓝光都会遇到这些微小颗粒并被散射,不过蓝光由于波长较短,发生的散射也更多。这种现象属于瑞利散射(Rayleigh scattering),天空被那些散射光照亮,成为了人类眼里的蓝天。

图片来源:Unsplash

皮肤里的情况也很相似,一些蓝光在深入皮肤之前,就已经被弹回人们眼里。与容易被散射的蓝光相比,红光有相当一部分可以到达皮肤下的静脉,走过一段更完整的旅程。

当然,红光和蓝光都有可能在穿越皮肤的过程中被吸收,也都有机会到达静脉并在那里被吸收,差别只是最终能反射回眼睛里的红光和蓝光不一样多。我们看到的静脉颜色,也与红光和蓝光返回眼中的比例有关。其实,白光照射到静脉区域,返回的红光通常还是比蓝光多。那么,即便是透过皮肤观察,大多数人也不该看到蓝色静脉。

那我们怎么会以为自己看到的静脉是蓝色的?静脉不是画在一张白纸上,它周围还有粉嫩的皮肤。科学家发现,下方没有静脉的皮肤区域,反射蓝光的量与静脉区差别不大,但反射的红光明显比静脉区多 —— 看起来就更红。而透过皮肤看到的静脉并非不红,只是旁边的皮肤对比起来可能偏蓝一些,于是被大脑认定为蓝色。

这可以说是一种视错觉,与颜色恒常性(color constancy)有关。颜色恒常性是人类色彩感知系统的一种特性,能让我们在不同光照条件下判断物体的颜色。比如,下图是模拟黄光和蓝光分别照在魔方上的效果,人们很容易从中找出红色方格所在的位置。

图片来源:Purves et al., 2016

但当把这些“红色方格”从原本的环境中提取出来,放进白色背景,人们会感觉它们不再是红色,变成了橙色和紫色。事实上,方格没有变色,是我们识别的结果变了。我们识别出的物体颜色,不仅取决于反射光,还取决于大脑的计算。如此一来,红润皮肤包围中的静脉,被视作蓝色也不足为奇,假如把那种颜色放在白色背景下,我们可能不会认为它是蓝色。

血液变蓝的人

虽然,正常情况下人类的血液不会是蓝色,但也有一些疾病能让血液变蓝。高铁血红蛋白血症(methemoglobinemia)就是这样一种疾病。

健康人的血液里,血红蛋白之中的铁几乎都是二价铁(Fe2+),负责结合氧气。但在高铁血红蛋白之中,一些铁变为了三价铁(Fe3+),难以结合氧气。而这种血红蛋白分子里,残余的二价铁离子对氧的亲和力反而会增强,无法正常将氧气释放到组织中。

通常来说,高铁血红蛋白在血液中的占比低于 1%。如果血液里的高铁血红蛋白超过 10%,人体就可能因为缺氧而产生各种症状,如气短、发绀(皮肤或黏膜呈青紫色)、精神状态改变、头痛、乏力等等。当血液中高铁血红蛋白的比例达到 70% 左右,人类就可能有昏迷甚至致命的风险。

深蓝色的血液(图片来源:NEJM)

这种疾病的患者中,最为人熟知的症状或许就是血液颜色的改变。携带的氧气明显变少时,血液可能呈现棕色甚至蓝色。2019 年,《新英格兰医学杂志》报告了一位 25 岁的女性病患,她的血氧饱和度明显低于正常水平,高铁血红蛋白的比例高达 44%,血液已经变成深蓝色,皮肤颜色也有些改变。

根据患者的自述,在就医的前一天晚上,她因为牙痛而用了大量的苯佐卡因来止痛。这可能就是她突然发病的原因。第二天早上,她便感到呼吸急促且身体虚弱,然后去往急诊室。接受静脉注射亚甲蓝治疗之后,患者的呼吸有明显改善,皮肤变色的情况也减弱了。最终,症状完全消退。

拥有“高贵”的蓝血,对人类来说真的不是一件好事。

参考资料:

  • https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21085227/

  • https://theconversation.com/ive-always-wondered-why-do-our-veins-look-blue-when-our-blood-is-red-83143

  • https://www.historyextra.com/period/georgian/why-people-noble-called-blue-blooded/

  • https://books.google.com/books/about/Aristocrats.html?id=qp-UKm46MlkC

  • https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK54103/

  • https://osuwomeninphysics.wordpress.com/2015/03/11/everyday-physics-why-do-veins-look-blue/

  • https://engineering.purdue.edu/~bouman/ece637/notes/ColorConstancy/color/

  • https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK537317/

  • https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9588101/

  • https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMicm1816026

本文来自微信公众号:环球科学 (ID:huanqiukexue)撰写 | 栗子 审校 | 王昱

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关键词:血液

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