血是红的，静脉为什么是蓝的？
2022/11/1 17:00:00 中国科普博览
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？
Part.1
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。
而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？
Part.2
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，只是与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。
Part.3
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。
参考文献:
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
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