血は赤いのに、静脈はなぜ青いのでしょうか?

ヨーロッパでは、「高貴な血」はかつて高貴な地位の象徴でした。

西暦9世紀、スペインの貴族たちはムーア人からイベリア半島を奪還しようとしていました。歴史家ロバート・レイシーの記述によれば、戦争前、貴族たちは腕を上げ、彼らの白い肌に青い静脈が特に目立っていたという。彼らは、自分たちの血統が純粋であり、肌の黒いムーア人によって汚染されていないことを示すためにそうしました。

当初、これは士気を高めるために行われたのかもしれません。当時のスペイン人は、「高貴な血は赤ではなく青である」という概念が世界中に広まるとは思っていなかったかもしれません。上流階級の人々は肌を太陽にさらすことがほとんどなかったため、一日中屋外で働いて日焼けした一般の人々よりも、貴族の肌は白く、青い静脈がくっきりと見えました。かつてヨーロッパ全土で上流階級と下流階級の違いを表現するために「青い血」という言葉を使うことが流行しました。

今では、地位や階級に関係なく、人間の血は必ずしも青くないことが分かっています。しかし、手首の静脈はなぜ青いのでしょうか?

血は何色ですか？

中学校の生物学では、心臓から出た動脈血が体のすべての部分に酸素を運ぶことができると教えられます。酸素を放出した後、血液はあらゆるレベルの静脈に沿って心臓に戻ります。人の目に見える動脈血や静脈血の色は、血液の循環過程、あるいはその過程で血液が反射・吸収する光に関係しています。

白色光線は、赤、オレンジ、黄、緑、シアン、青、紫など、さまざまな波長の光が混ざり合ったものです。動脈血が鮮やかな赤色をしている理由は、ヘモグロビンが酸素と結合すると、より多くの赤色の光を人の目に反射することができるためです。対照的に、静脈血中のヘモグロビンは酸素を失い、赤色光を多く吸収し、赤色光を少なく反射するため、動脈血の鮮やかな赤色を維持することが難しくなります。採血時に見られる暗赤色の血も静脈血です。

上の 2 本のチューブは静脈血です (画像ソース: Wesalius、Wikimedia Commons 経由、CC BY-SA 3.0)

より具体的に言うと、ヘモグロビンの色を決定する部分は実際にはヘムです。ヘムは鉄を含むポルフィリン化合物です。鉄原子を中心とした環状構造には多数の共役二重結合が含まれており、これにより分子は可視光を吸収し、特定の色を示すことができます。

酸素がヘモグロビンに遭遇すると、他の組織や臓器に運ばれる前に、ヘモグロビン内の鉄と結合する必要があります。 1 つのヘモグロビン分子は最大 4 つの酸素分子を運ぶことができます。ヘモグロビンが吸収する光の波長範囲は、結合した酸素分子の数によって異なります。したがって、酸素含有量の少ない静脈血の色は、酸素含有量の多い動脈血の色とは異なります。

しかし、明るい赤であろうと暗い赤であろうと、健康な血液は青ではなく赤です。私たちが目にする青い静脈はどこから来るのでしょうか?

何色が見えますか？

静脈血の入ったチューブを目の前に置くことと、皮膚を通して静脈を見ることは、まったく異なる状況です。

皮膚に当たる白い光線と透明なガラス容器に当たる白い光線は異なります。白色光を構成するさまざまな色の光のうち、赤色光の波長はおよそ 625 ～ 750 ナノメートル、青色光の波長はおよそ 450 ～ 485 ナノメートルです。一般的に、波長の長い光は媒体をより容易に透過します。赤色光は皮膚を通過するのが難しくありませんが、青色光は皮膚に入った後、あらゆる方向に散乱しやすいため、皮膚の奥深くまで届きにくくなります。

太陽はさまざまな波長の光を発していますが、私たちが見る空はたいてい青いのです。大気中には、可視光線の波長よりも直径が短い微粒子が数多く存在します。赤色光または青色光はこれらの微粒子に遭遇して散乱しますが、青色光は波長が短いため散乱量が多くなります。この現象はレイリー散乱と呼ばれます。空は散乱した光によって照らされ、人間の目には青く見えます。

皮膚でも状況は同様で、青色光の一部は皮膚に浸透する前に目に跳ね返ります。散乱しやすい青色光に比べ、赤色光のかなりの部分は皮膚の下の静脈に到達し、より完全な経路をたどることができます。

もちろん、赤色光と青色光はどちらも皮膚を通過する際に吸収される可能性があり、どちらも静脈に到達してそこで吸収される可能性があります。唯一の違いは、最終的に目に反射される赤色光と青色光の量が異なることです。私たちが見る静脈の色は、目に戻ってくる赤色と青色の光の比率にも関係しています。実際、静脈部分に白色光を当てると、青色光よりも赤色光が多く返ってくるのが普通です。まあ、皮膚を通して見ても、ほとんどの人は青い静脈は見えないはずです。

では、私たちが見る静脈が青いと感じるのはなぜでしょうか?白い紙に静脈が描かれているわけではなく、その周囲にピンク色の皮膚が描かれています。科学者たちは、静脈のない皮膚の部分は静脈部分とほぼ同じ量の青色光を反射するが、赤色光を静脈部分よりはるかに多く反射し、より赤く見えることを発見した。皮膚を通して見える静脈は暗い赤色ではありませんが、隣接する皮膚と比較すると青く見えるため、脳では青色として認識されます。

これは色の恒常性に関連した錯覚であると言えます。色の恒常性は、さまざまな照明条件下で物体の色を判断できるようにする人間の色知覚システムの特性です。たとえば、下の図は、ルービック キューブに黄色の光と青色の光をそれぞれ当てた効果をシミュレートしています。そこから赤い四角の場所を簡単に見つけることができます。

画像出典: Purves et al., 2016

しかし、これらの「赤い四角形」が元の環境から抽出され、白い背景に置かれると、人々はそれがもはや赤ではなく、オレンジと紫になっていると感じるでしょう。実際、四角の色は変わっていませんが、認識の結果は変わりました。私たちが認識する物体の色は、反射光だけでなく、脳の計算によっても決まります。したがって、赤みがかった肌に囲まれた静脈が青く見えるのは驚くことではありませんが、その色が白い背景に置かれた場合、私たちはそれを青く見えないかもしれません。

血が青くなる者

人間の血液は通常の状態では青くありませんが、血液が青くなる病気がいくつかあります。メトヘモグロビン血症もそのような疾患の一つです。

健康な人の血液では、ヘモグロビンに含まれる鉄はほぼすべて二価鉄（Fe2+）であり、酸素を結合する役割を果たしています。しかし、メトヘモグロビンでは、鉄の一部が三価鉄（Fe3+）に変換され、酸素と結合しにくくなります。しかし、このヘモグロビン分子では、残留二価鉄イオンの酸素に対する親和性が高まり、正常に組織に酸素を放出することができなくなります。

通常、メトヘモグロビンは血液の1%未満を占めます。血液中のメトヘモグロビンが10％を超えると、人体は酸素不足により、息切れ、チアノーゼ（皮膚や粘膜が青紫色になる）、精神状態の変化、頭痛、疲労など、さまざまな症状を呈することがあります。血液中のメトヘモグロビンの割合が約70％に達すると、人間は昏睡や死に至るリスクがあります。

濃い青色の血（画像提供：NEJM） おそらく、この病気の患者に最もよく見られる症状は、血液の色の変化です。血液中の酸素が著しく減少すると、血液が茶色や青に見えることがあります。 2019年、ニューイングランド医学ジャーナルは、血中酸素飽和度が正常値より著しく低く、メトヘモグロビンの割合が44％にも達し、血液が濃い青色に変わり、皮膚の色もわずかに変化した25歳の女性患者について報告した。

患者自身の説明によると、彼女は医師の診察を受ける前夜に歯痛があり、痛みを和らげるために大量のベンゾカインを使用したという。これが彼女の突然の病気の原因かもしれない。翌朝、彼女は息切れと脱力感を感じたので、救急室に行きました。静脈内メチレンブルー治療を受けた後、患者の呼吸は著しく改善し、皮膚の変色も減少しました。結局、症状は完全に治まりました。

「高貴な」貴族の血を持つことは、人間にとって決して良いことではありません。