红细胞的一生能游遍人体的所有血管吗?

红细胞的一生能游遍人体的所有血管吗?

瞻云,先让一部分知识有趣起来

 即便给红细胞无限的寿命,也无法完全游遍人体所有血管。哪怕再理想,也要超过 100 万年,远远超过人类寿命极限。

你以为的人体血管,总是一成不变的。

实际上人体总是存在着血管生成(Angiogenesis)[1],不断更新改变着毛细血管。

当因为某些原因(锻炼、受伤、疾病、高原),组织出现低氧状态。血管内皮细胞就会脱落,在周围基质中增殖出芽,不断增殖连接,最终形成毛细血管,组建成毛细血管网络。

血管生成早期(48 小时延迟拍摄)

血管生成过程,往往伴随着毛细血管的新生或退化。

你还别说,把人体整个血液系统和网络,比喻成中国所有公路网络,还的确非常合适。二者具有一些共同点。

大小公路中穿插着无数细小街道。

你要遍游中国核心公路网络,是可能的。

但要遍游中国所有城市街道,是不可能做到的。

除了城市多,街道不计其数外,最关键的就是,城市街道总是局部的存在拆除、重建、新建。这就决定了,你永远也无法走遍所有的中国街道。

整个人体,对于红细胞也是如此。

而且人体的毛细血管更新比城建要快得多。

根据不同的器官,毛细血管的年更新率在 1%~10%不等。

肝脏、肾脏内的毛细血管,在一生中可能完成完全更新。骨骼肌中的毛细血管则会完成绝大部分更新,心脏完成多数更新,大脑完成小部分的更新。

整体来说,人一生中总毛细血管的更新率,可能超过 70%。

所以,考虑到血管发生。即便给红细胞无限的寿命,也无法完全游遍人体所有血管。

那如果我们不考虑血管发生,默认血管不会发生变化,需要多长时间呢?

按照血管分级结构,红细胞经过了所有毛细血管,便会必然经过了所有的动脉、静脉、微动脉 / 静脉。

因此红细胞游遍人体的次数,等于游遍所有毛细血管的次数。

20 世纪早期,基于尸体解剖和血管分支模型,诺奖得主奥古斯特·克罗(august krogh)[2]计算得出,人类毛细血管的总长度约为 10 万 km。

虽然这个数据,一度被奉为权威,被大量书籍和文献采用,常常与赤道长度对比。例如,人体血管总长度,绕地球赤道 2.5 圈云云。

不过,通过现代数据,得到的毛细血管总长度大约是 9000~1.9 万 km[3][4]

  • 说明:相关文献明确提到是毛细血管,用「严重错误」来形容 10 万 km 的长度。也有其他文献提到,整个循环系统总长 1.9 万 km[5]。由于毛细血管长度占血管总长度的绝大部分,毛细血管总长度≈总血管长度,影响并不大。
早期(左)与现代(右)的相关血管数据

我们知道人体是双循环。

完全的一次循环周期,同时包括体循环和肺循环。

依据不同的模型预估,肺部毛细血管总长度为 2746~6950km[6]

人体双循环示意图

毛细血管的长度其实是非常短的。

典型的肌毛细血管跨越一个肌纤维长度,大约 0.5~1mm。心、脑中的毛细血管长度,略低于 0.5mm。肺部毛细血管长度,短至 100μm 左右。

依据以上数据,为了方便计算,体循环毛细血管总长度不妨取值 1.2 万 km,平均长度 0.6mm。

肺循环毛细血管平均长度取值 0.5 万 km。

那么,肺部毛细血管总数为:

5000×1000/0.0001=5×10^10 条

也即,500 亿条左右。

这个数据也与相关研究得到的数据(5.52 × 10^10)非常接近[7]

理想分叉树结构下的肺部血管,但实际复杂得多

体循环毛细血管总数则为:

12000×1000/0.0006=2×10^10

也即,200 亿条左右。

双循环的人体,每一次完整的循环,总是会经过一次肺部和其它人体部位。

由于肺毛细血管数目(500 亿)大于体循环(200 亿),红细胞遍历人体,循环次数的上限,直接由肺循环所决定。

如果红细胞总是能每次经过毛细血管都不重复,那么总循环次数则等于肺毛细血管总数。

血液总量完整循环一次的时间大约是 1 分钟。

红细胞平均循环时间,我们也考虑为 1 分钟。

  • 虽然红细胞可能走捷径,但也可能绕远路,误入死胡同等等。

那么总时间则是:500 亿分钟。

也即,95129.4 年,大约为 10 万年。

然而,每一次血液循环,红细胞经过某根毛细血管时,却是随机的。

在随机条件下,红细胞循环 500 亿次,也即 10 万年,期望覆盖率为(1-1/e)(毛细血管数目 N 足够大,取极限 +∞时)。

(1-1/e)=63.21%

可得:

循环 20 万年,期望覆盖率:86.47%
循环 30 万年,期望覆盖率:95.02%
循环 40 万年,期望覆盖率:98.17%
循环 50 万年,期望覆盖率:99.33%
循环 60 万年,期望覆盖率:99.75%
循环 70 万年,期望覆盖率:99.91%
循环 80 万年,期望覆盖率:99.97%
循环 90 万年,期望覆盖率:99.99%
循环 100 万年,期望覆盖率:99.995%
……

接下来,我们来考虑完全游遍的情况。

随机情况下,完全游遍不可能 100%发生。

或者换一句话说,要 100%完全游遍,需要循环无限次。

当我们 50%的概率,保证完全经过毛细血管的循环次数为:

也即,237.82 万年,接近 240 万年。

……

当我们 99.99%的概率,保证完全经过毛细血管的循环次数为:

也即,321.54 万年,超过 300 万年,这是 10 万年的 30 多倍。

……

那么,我们最终可以得出这样的结论:

理想情况下,当红细胞和人类的寿命都是永恒的——

经 10 万年的时间,红细胞可以游历多数的血管。经 50 万年的时间,可以勉强游个大概。经 100 万年的时间,可以游绝大多数血管。

近 240 万年的时间,则大概率可以完全游个遍。超过 300 万年,则极高概率完全游完。

然而,无论人还是红细胞的寿命都是有限的。

如果以人 75 年寿命为限,单个红细胞可以游的血管比例为:

1/1268

以红细胞 120 天的平均寿命为限,这个比例为:

1/289352

也即,接近 1/30 万。

这个比例,大约相当于在一家三口中,拔出一根头发。