Почему кровь красная: молекулярное объяснение цвета крови

Кровь красная потому, что в ней содержится гемоглобин. Этот белок переносит кислород, и в его центре находится атом железа, связанный с молекулой гема. Именно эта структура поглощает синие и зелёные части видимого спектра, а красный свет отражает обратно. Наш глаз регистрирует этот красный цвет.

Строение гемоглобина и его цвет

Гемоглобин состоит из четырёх белковых цепочек, в каждой из которых находится гем: плоская молекула порфирина с атомом железа в центре. Когда кровь насыщена кислородом, железо находится в состоянии, которое химики обозначают как Fe2+, и образует оксигемоглобин. Эта форма поглощает свет с длиной волны около 415 нанометров (сине-фиолетовую) и 540-577 нанометров (зелёную). Красный цвет (620-750 нм) отражается, и мы видим ярко-алую артериальную кровь.

Когда гемоглобин отдаёт кислород тканям и превращается в дезоксигемоглобин, его электронная структура меняется. Теперь молекула поглощает немного другие длины волн, и отражённый красный становится более тёмным, с пурпурным оттенком. Именно поэтому венозная кровь выглядит темнее артериальной, хотя в обоих случаях она остаётся красной.

Почему природа выбрала железо

Гемоглобин с железом появился в эволюции как очень удачное решение: железо легко и обратимо связывает молекулярный кислород при высоких его концентрациях (в лёгких) и так же легко отдаёт его при низких концентрациях (в тканях). Этот механизм работает без затрат энергии. Переход обеспечивается только изменением давления кислорода в крови.

В теле взрослого человека около 4-5 граммов железа, и примерно две трети от этого количества содержится именно в гемоглобине эритроцитов. Остальное депонировано в печени и костном мозге. При дефиците железа эритроциты производятся мелкие и бледные: гемоглобина в них мало. Это состояние называется железодефицитной анемией и является одним из самых распространённых нарушений в мире.

Цвет крови не всегда красный

У человека и всех позвоночных кровь красная, потому что они используют гемоглобин. Но у некоторых беспозвоночных есть другие дыхательные пигменты. Осьминоги и улитки используют гемоцианин: вместо железа там медь, и кровь у них голубовато-серая при насыщении кислородом и бесцветная без него. Некоторые черви содержат хлорокруорин, и их кровь зелёная. Это не отклонение, а просто другие эволюционные решения одной задачи: переносить кислород к тканям.

Интересно, что свежая гемоглобиновая кровь на воздухе поначалу яркая (оксигемоглобин), но быстро темнеет при высыхании, так как железо окисляется до трёхвалентного состояния Fe3+. Образуется метгемоглобин коричневатого цвета. Именно поэтому засохшие следы крови выглядят тёмно-коричневыми, а не красными.

Почему вены на коже кажутся синими

Это один из самых распространённых бытовых вопросов. Кровь в венах тёмно-красная, но не синяя. Синеватый оттенок сквозь кожу объясняется оптическим эффектом: кожа и жировая ткань по-разному поглощают свет разной длины волны. Красные лучи хорошо проникают в ткани и рассеиваются там, а синие и зелёные поглощаются поверхностнее. В итоге синий свет, отражённый от зоны над веной, доходит до наблюдателя интенсивнее красного. Вена выглядит синеватой исключительно из-за оптики кожи, а не из-за цвета венозной крови.