Почему кровь красная, а вены синие

Какого цвета кровь внутри сосудов

Человеческая кровь всегда имеет оттенки красного цвета благодаря железосодержащему белку гемоглобину. В артериальной крови содержится оксигемоглобин, присоединивший молекулы кислорода. Он окрашивает артериальную кровь в яркий алый оттенок. В венозной крови преобладает дезоксигемоглобин, отдавший кислород клеткам тканей. Лишившись кислорода, белок меняет пространственную конфигурацию своей молекулы, поэтому венозная кровь приобретает темный вишневый или бордовый цвет. Голубой или синей жидкости в сосудах человека нет ни при каких физиологических условиях.

Оба состояния гемоглобина активно поглощают свет в сине-зелёной части спектра в районе полосы Соре на длинах волн около 415 нанометров. Различия начинаются в длинноволновом диапазоне от 600 до 800 нанометров. Дезоксигемоглобин поглощает красный спектр немного сильнее оксигемоглобина, однако оба они отражают достаточно красных лучей, чтобы невооружённый глаз воспринимал любую кровь исключительно красной.

Как оптические свойства кожи меняют цвет сосудов

Чтобы понять происхождение синего оттенка, нужно проследить путь фотонов сквозь кожный покров. Кожа состоит из эпидермиса, дермы и подкожно-жировой клетчатки. Эти слои представляют собой мутную оптическую среду, наполненную коллагеновыми волокнами, микроструктурами клеток и межтканевой жидкостью. Свет разной длины волны взаимодействует с этой средой с разной эффективностью.

Синий свет с короткой длиной волны от 400 до 480 нанометров испытывает сильное рэлеевское и ми-рассеяние на мелких структурных неоднородностях дермы. Подобно рассеянию солнечного света в атмосфере, синие фотоны быстро меняют траекторию и отражаются обратно в окружающую среду уже в верхних слоях кожи на глубине до полумиллиметра. Они практически не доходят до кровеносного русла глубоких вен.

Красный свет с длиной волны от 620 до 750 нанометров рассеивается значительно слабее. Он обладает высокой проникающей способностью и проходит сквозь ткани на глубину до пяти миллиметров. Когда красный свет встречает на своём пути вену, дезоксигемоглобин внутри неё жадно поглощает эти фотоны. В итоге красный свет исчезает в сосуде, а обратно наружу выходит преимущественно рассеянный синий спектр.

Экспериментальные расчёты и модель Кинле

В 1996 году группа учёных во главе с Альвином Кинле из Института лазерных технологий в медицине при Ульмском университете опубликовала исследование оптического поведения вен в журнале Applied Optics. Физики использовали компьютерное моделирование методом Монте-Карло, рассчитывая траектории миллионов фотонов через многослойную модель человеческой ткани. Расчёты объяснили, почему вены кажутся именно синими, хотя абсолютная доля отражённого синего света над веной даже немного ниже, чем над соседними участками.

Модель выявила точные зависимости видимого цвета от пространственных параметров залегания сосуда:

• Глубина залегания от 0,5 до 2 миллиметров обеспечивает оптимальный контраст отражения, при котором сосуд выглядит отчётливо синим или голубоватым.
• Расположение сосуда глубже трёх миллиметров приводит к полному рассеянию всех длин волн в толще подкожного жира, из-за чего сосуд перестаёт визуально выделяться на общем фоне.
• Залегание сосуда в поверхностных слоях дермы на глубине менее 0,2 миллиметра делает его красным, так как свет поглощается кровью раньше возникновения достаточного светорассеяния.

Роль зрительного аппарата и эффект цветового контраста

В восприятии цвета вен участвует не только физика света, но и психофизиология зрения. Сетчатка глаза передаёт сигналы в зрительную кору, где мозг оценивает цвета объектов в сравнении с окружающим фоном. Этот феномен описывается теорией цветового постоянства Эдвина Лэнда.

Здоровая кожа вокруг вены отражает много красных лучей, придавая участку тела тёплый персиковый, бежевый или смуглый тон. Непосредственно над веной формируется узкая зона, откуда красных лучей возвращается значительно меньше из-за поглощения кровью. Количество отражённого синего света в этой полосе остаётся неизменным по отношению к соседней коже. Мозг фиксирует локальное падение доли красного спектра и вычитает его из картины, заставляя наблюдателя видеть синий или зеленоватый сосуд.

Почему другие сосуды выглядят иначе

В организме человека кровеносная система состоит из сосудов разного диаметра и разного уровня залегания. Мелкие капилляры дермы расположены на глубине десятков микрометров. Из-за отсутствия толстого слоя рассеивающего матрикса над ними мы видим капиллярное русло красным. Именно этим объясняется румянец на щеках, покраснение кожи при ожоге или гиперемия при воспалительных реакциях.

Артерии обладают мощной мышечной стенкой и обычно лежат глубоко в тканях под защитой мышечных фасций и костей. Из-за глубокого расположения артерии вообще не просвечивают сквозь дерму. Крупные вены имеют тонкие податливые стенки, относительно большой диаметр просвета и часто проходят непосредственно в гиподерме, что создаёт условия для наблюдения синего оттенка.