La couleur du sang dans tous ses états. 1. Le sang humain est-il toujours rouge ?

Le sang humain est normalement rouge, avec toutefois une différence de teinte selon qu’il est artériel ou veineux (Fig. 1). D’où vient cette différence ? Si le sang est rouge, pourquoi nos veines apparaissent-elles bleues sous la peau ? Et comment expliquer l’aspect bleu violacé de la peau et des lèvres des personnes atteintes de cyanose ? Pourquoi le sang humain apparaît-il vert dans des conditions très particulières ? Dans le monde animal, certaines espèces ont le sang bleu (poulpes et limules), ou vert (certains lézards), ou rose à violet (brachiopodes). D’où viennent toutes ces couleurs ? Petit tour d’horizon de ce fluide vital, en commençant par le sang humain.

Fig. 1. Le sang artériel (à gauche) est rouge vif et le sang veineux (à droite), rouge sombre. Wikimedia commons

Pourquoi le sang artériel est-il rouge vif et le sang veineux rouge sombre ?

Le sang contient des globules rouges qui doivent leur couleur à une protéine, l’hémoglobine, composée de quatre sous-unités, chacune étant dotée d’un hème1 comportant un ion fer capable de fixer une molécule de dioxygène. Dans le sang artériel, qui transporte l’oxygène venant des poumons vers toutes les cellules de l'organisme, l’hémoglobine est proche de la saturation en oxygène, c’est-à-dire qu’elle est à environ 95 % sous forme oxygénée, appelée oxyhémoglobine.

Quant au sang veineux, il convoie le dioxyde de carbone CO2, des cellules aux poumons, mais ce dernier ne se fixe pas sur l’ion fer de l’hème2 : il est transporté par les veines essentiellement sous forme d’hydrogénocarbonate dans le plasma et les globules rouges. Dans le sang veineux, l’hémoglobine, qui a libéré une bonne partie de son oxygène, est aussi bien sous forme désoxygénée (désoxyhémoglobine) que sous forme oxygénée (oxyhémoglobine), la saturation en dioxygène se situant vers 55 %.

Pour comprendre la différence de couleur entre le sang artériel et le sang veineux, il faut examiner la façon dont l’oxyhémoglobine et la désoxyhémoglobine absorbent la lumière. La différence importante entre leurs spectres d’absorption (représentés sur la figure 2) résulte du fait que l’interaction d’une molécule de dioxygène avec l’ion fer de l’hème perturbe considérablement la configuration électronique de l’hème et influe donc sur ses propriétés d’absorption de la lumière.  Que peut-on conclure de ces spectres en termes de couleurs ?

Fig. 2. Spectres d’absorption (exprimant l’efficacité d’absorption de la lumière en fonction de la longueur d’onde) de l’hémoglobine sous forme oxygénée (HbO2) et désoxygénée (désoxyHb). Redessiné d’après une figure de la référence 3. © Bernard Valeur

  • L’oxyhémoglobine n’absorbe pas la lumière dans le rouge et est donc rouge vif. Il en est de même du sang artériel qui contient presque exclusivement cette forme de l’hémoglobine (Fig. 1).
  • La désoxyhémoglobine absorbe peu la lumière dans le rouge et le spectre d’absorption présente un minimum à 475 nanomètres, ce qui correspond au bleu (Fig. 2). Elle est donc bleu-violet. Le sang veineux, qui contient en proportions comparables de l’oxyhémoglobine et de la désoxyhémoglobine, apparaît donc d’un rouge sombre tirant vers le violet.

Pourquoi la peau est-elle rose ?

La lumière est partiellement absorbée par la peau dont l’épiderme contient des pigments du type mélanine (eumélanine et phéomélanine) dont les teneurs conditionnent la couleur de la peau (voir le billet du 26.12.2019)4. Plaçons-nous dans le cas où la concentration de ces pigments est suffisamment faible pour ne pas affecter la couleur rose de la peau.

La lumière est également absorbée par divers composés présents dans les cellules et les tissus. D’une façon générale, les rayonnements de grandes longueurs d’onde, correspondant au rouge, sont beaucoup moins absorbés que les rayonnements de plus courtes longueurs d’onde ; ils pénètrent donc plus profondément. La preuve : la partie rouge de la lumière blanche traverse facilement les doigts de la main (Fig. 3).

Fig. 3. Lorsqu’une lampe torche est appliquée sur les doigts de la main, on voit une lumière rouge à travers ces derniers. © Bernard Valeur

Dans la peau, la lumière est non seulement partiellement absorbée mais aussi diffusée (c’est-à-dire déviée dans toutes les directions) par les structures hétérogènes du derme et de l’épiderme. Dans le derme, des fibrilles de collagène et de réticuline dont la taille est inférieure aux longueurs d’onde de la lumière dans le spectre visible, doivent en principe donner lieu à une diffusion du type Rayleigh5 dont l’efficacité est d’autant plus grande que la longueur d’onde est courte : la composante bleue de la lumière est davantage diffusée que la composante rouge. En revanche, la structure de l’épiderme est telle que l'efficacité de la diffusion dépend très peu de la longueur d’onde (diffusion de Mie).5

Ainsi, le rayonnement rouge est moins absorbé mais aussi moins diffusé que les rayonnements de plus courtes longueurs d’onde. Au final, il s’avère que la lumière qui est renvoyée par la peau est à peine plus riche en rayonnement rouge qu’en rayonnements de plus courtes longueurs d’onde, d’où la couleur légèrement rose de la peau (en absence évidemment d’une teneur importante en mélanine).

Les vaisseaux sanguins capillaires de la peau (artérioles et veinules) contribuent bien sûr à la couleur rose. En effet, ils reçoivent directement une lumière dont la composition est peu différente de celle de la lumière incidente, et ils absorbent peu cette lumière dans le rouge. D’ailleurs, chacun sait que l’on rougit sous l’effet d’une émotion, d’un effort ou de la chaleur : le rose s’intensifie en raison de l’afflux de sang dans ces vaisseaux capillaires.

Comment expliquer l’aspect bleu violacé de la peau d’une personne cyanosée ?

Si le sang est insuffisamment oxygéné, c’est la désoxyhémoglobine (de couleur bleu-violet) qui prédomine dans les vaisseaux capillaires. C'est pourquoi la peau et les lèvres apparaissent dans ce cas d’une couleur bleu violacé. On parle alors de cyanose (terme dérivé de cyan, mot qui vient du grec kuanos, signifiant « bleu ») dont les causes sont variées : une insuffisance respiratoire, un arrêt cardiaque, une interruption locale de la circulation sanguine (thrombose), une malformation cardiaque ou vasculaire congénitale (maladie du sang bleu), une intoxication au cyanure… ou tout simplement une exposition au froid.

Le sang humain apparaît vert dans certaines circonstances !

En plongée dans le grand bleu

Si vous vous coupez sous l’eau à une dizaine de mètres de profondeur, votre sang apparaîtra vert turquoise (voir vidéo). Pas de panique, rien d’anormal ! En voici la raison. La composante rouge de la lumière solaire est presque totalement absorbée par l’eau avant d’atteindre cette profondeur, tandis que les composantes bleue et verte pénètrent beaucoup plus profondément.6 Or, le spectre d’absorption de l’oxyhémoglobine (Fig. 2) présente un minimum vers 510 nanomètres, ce qui correspond au vert. Pour la désoxyhémoglobine, le minimum se situe à 475 nanomètres, ce qui correspond au bleu. Par conséquent, la lumière renvoyée par le sang présente une composante dans le bleu-vert, qui n’est toutefois pas détectable par l’œil sous un éclairage en lumière blanche, en raison de l’intensité beaucoup plus élevée de la composante rouge. En revanche, tout éclairage dépourvu de radiations rouges fera apparaître le sang vert turquoise. C’est ce qui se passe sous l’eau à une profondeur où le rouge ne parvient pas.

Un homme au sang vert : cas unique dans l’histoire de la médecine

En octobre 2005, quelle ne fut pas la surprise des médecins de l’hôpital Saint-Paul de Vancouver lorsqu’ils découvrirent qu’un patient de 42 ans, à qui l’on posait un cathéter, avait le sang vert.7 Un extra-terrestre ? Comme les Vulcains, personnages de la série de science-fiction Star Trek, dont le sang était vert ? En fait, l’analyse de sang révéla que l’homme avait abusé d’un antimigraineux, le Sumatriptan (connu en France sous le nom d’Imigrane). Une réaction chimique de ce médicament avec l’hémoglobine avait formé de la sulfhémoglobine, de couleur verte, résultant de la fixation d’un ion sulfure sur l’ion fer de l’hème. L’interruption du traitement permit au patient de recouvrer son sang rouge.

En conclusion, le sang humain est toujours rouge lorsqu’il est observé dans des conditions normales. Alors comment expliquer que chez un sujet normal, les veines apparaissent bleues sous la peau ? Difficile question qui fera l’objet du deuxième billet de cette série.

Références et notes

1Structure de l’hémoglobine (a) avec ses quatre sous-unités contenant chacune un hème (b) possédant un ion fer (Fe2+) situé au centre d’un composé cyclique et susceptible de fixer une molécule de dioxygène.

Crédit : OpenStax College/Wikimedia commons

2En revanche, le monoxyde de carbone CO se fixe sur l’ion fer de l’hème avec une affinité très supérieure à celle du dioxygène. La carboxyhémoglobine ainsi formée empêche alors le transport de l’oxygène, ce qui provoque une intoxication bien connue.

3W. G. Zijlstra, A. Buursma, « Spectrophotometry of hemoglobin : Absorption spectra of bovine oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, carboxyhemoglobin, and methemoglobin », Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology, vol. 118, pp. 743-749 (1997).

4Billet du 26.10.2018,« Pourquoi la couleur de la peau humaine présente-t-elle une si grande diversité ? ».

5Quand un milieu est constitué de particules dont la taille est inférieure à 1/10e de la longueur d’onde, la diffusion de la lumière est du type Rayleigh (du nom de Lord Rayleigh qui développa la théorie). L'intensité de la lumière diffusée est inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d'onde. La lumière bleue est de ce fait plus efficacement diffusée que la lumière rouge d'un facteur 10 environ, entre 700 et 400 nanomètres). C'est ainsi que l'on explique en particulier la couleur bleue du ciel.

Lorsque la taille des particules est supérieure à 1/10e de la longueur d’onde, la théorie de Rayleigh ne s'applique plus, et c'est la théorie de Mie qui prend le relais. Contrairement à la diffusion Rayleigh, la diffusion de Mie dépend peu de la longueur d'onde : la lumière diffusée présente donc une couleur sensiblement identique à celle de la lumière incidente.

Voir : B. Valeur, Lumière et luminescence. Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin (2017), pp. 82-84.

6O. Le Calvé, « La lumière dans la mer », Futura Sciences. Article consultable ici.

7A. M. Flexman et al., « Dark green blood in the operating theatre », The Lancet, vol. 369, p. 197 (2007).

 

Liens vers les autres billets de cette série :

2. L’apparence bleue des veines : une illusion d’optique ! Ici.

3. Ces animaux dont la couleur du sang n’est pas rouge. Ici

4. Le sang incolore des poissons des glaces. Ici

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