Bioluminescence

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Rendu artistique d'un krill bioluminescent (aquarelle d'Uwe Kils).
Bioluminescence du champignon Panellus stipticus.
Omphalotus nidiformis, éclairé et lumière éteinte.
 
Omphalotus nidiformis, éclairé et lumière éteinte.
Omphalotus nidiformis, éclairé et lumière éteinte.
Panellus stipticus.

La bioluminescence est la production et l'émission de lumière par un organisme vivant via une réaction chimique au cours de laquelle l'énergie chimique est convertie en énergie lumineuse.

Le mot a pour origine le terme grec bios signifiant vie et le terme latin lumen, lumière.

La bioluminescence est une forme de luminescence, produisant une lumière dite froide car moins de 20 % de la lumière génère de la chaleur. Elle ne doit pas être confondue avec la fluorescence, la phosphorescence ou de la lumière réfractée.

La bioluminescence peut être générée par des organismes symbiotiques hébergés au sein d'un organisme plus grand. Le composé chimique à l'origine de la luminescence est la luciférine. Celle-ci émet de la lumière en s'oxydant grâce à l'intervention de la luciférase, une enzyme. La réaction chimique peut avoir lieu à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule. Chez les bactéries, l'expression des gènes liés à la bioluminescence est contrôlée par un opéron appelé lux operon.

Il a été montré que 76 % des organismes pélagiques sont connus pour être bioluminescents, et cela de la surface jusqu'à 4 000 m de profondeur[1].

Le phénomène[modifier | modifier le code]

Le phénomène de la bioluminescence est un cas particulier de chimioluminescence. Il s'accomplit au cours d'une réaction chimique d'oxydation[2],[3]. Chaque être vivant produit de la lumière de manière différente, mais ils suivent tous une trame commune : l'oxydation de composés organiques induit une émission de photons[3].

Trois acteurs principaux interviennent lors de la réaction chimique. La luciférine est le substrat oxydé en présence de dioxygène. La luciférase est une enzyme qui joue le rôle de catalyseur de la réaction[3],[2]. Le substrat est parfois préalablement activé par apport d'énergie à l'aide d'ATP (cette réaction d'oxydation indirecte est, par exemple, observée chez les lucioles)[3],[2].

Spectre lumineux[modifier | modifier le code]

La majorité des émissions lumineuses marines appartiennent au spectre visible du bleu et du vert, les longueurs d'onde qui peuvent être transmises aisément à travers l'eau. Plus rarement, certaines espèces émettent dans le rouge ou dans l'infrarouge.

La bioluminescence non marine est plus rare mais autorise une variété de couleurs plus importante. Les formes de bioluminescence terrestre les plus connues sont celles des Lampyridae, tels que les vers luisants et les lucioles[2], mais des facultés de bioluminescence ont été décrites chez d'autres insectes[2], des arachnides et chez certains champignons.

L'homme émet également de la lumière par bioluminescence[4],[5], mais en quantité si infime qu'elle n'est perceptible que par des appareils photographiques extrêmement sensibles[6],[7].

Fonction de la bioluminescence[modifier | modifier le code]

Il existe cinq théories principales pour l'évolution du caractère de bioluminescence :

Camouflage[modifier | modifier le code]

Bien que cela puisse paraître paradoxal, certains poissons (ex. : la hache d'argent diaphane[3]) ou le calmar Euprymna scolopes utilisent la bioluminescence à des fins de camouflage. En effet, à des profondeurs moyennes, les prédateurs repèrent leurs proies par en dessous, la silhouette de celles-ci se dessinant comme des ombres chinoises dans la faible lumière arrivant de la surface. Certains poissons dissimulent leur silhouette aux prédateurs situés en dessous d'eux grâce à la bioluminescence produite sur leur face ventrale, qui simule la lumière de la surface.

Attraction[modifier | modifier le code]

Linophryne lucifera, un poisson abyssal avec un appendice frontal bioluminescent.

La bioluminescence peut également être utilisée comme un leurre par différentes espèces abyssales comme certains lophiiformes. Un appendice lumineux ballant et s'étendant au-dessus de la tête du poisson permet ainsi d'attirer les petits animaux à une distance autorisant l'attaque. Le poisson-vipère Chauliodus macouni, qui peuple les profondeurs marines entre 1 et 2 km, possède, dans sa bouche, un organe fluorescent, qui lui permet d'attirer des proies[3].

L'attraction des partenaires sexuels est une autre fonction de la bioluminescence. On la trouve notamment chez les lampyres qui utilisent un flash périodique au niveau de leur abdomen pour attirer leur partenaire lors de la reproduction.

Le plancton bioluminescent, que l'on trouve dans les eaux propres, comme sur les côtes nord de Bretagne près de Saint-Malo, dans les réserves, en Corse et au sud-est de France : Porquerolles… Les micro organismes composant le plancton utilisent la bioluminescence pour être mieux vus des poissons : le poisson, attiré par ces lumières arrive et les avale. Le plancton se reproduit plus vite dans l'abdomen du poisson que dans l'eau alentour (présence de bactéries, température plus élevée…). Si l'on remue l'eau de mer dans un endroit préservé de la pollution lumineuse, on voit facilement apparaître de petits points verts. Une bonne part de cette luminosité est due au phytoplancton bioluminescent.

Répulsion[modifier | modifier le code]

Certains calmars et petits crustacés — quelques espèces d'Ostracodes, par exemple[8] — utilisent des mélanges chimiques bioluminescents (également des boues de bactéries bioluminescentes) afin de repousser les attaques des prédateurs de la même manière que beaucoup de calmars utilisent l'encre : un nuage de luminescence est expulsé déroutant ou repoussant un potentiel prédateur permettant ainsi au calmar ou au crustacé de prendre la fuite en toute sécurité. De même, le zooplancton produit des flashes de lumière par bioluminescence pour dérouter ses prédateurs[9].

Communication[modifier | modifier le code]

La bioluminescence pourrait également jouer un rôle direct dans la communication entre bactéries (voir quorum sensing). Elle induit également la symbiose entre des bactéries et une espèce hôte et pourrait jouer un rôle dans l'agrégation de colonie.

S'éclairer[modifier | modifier le code]

Cette fonction concerne surtout les espèces abyssales, en effet en profondeur la lumière ne passe plus ou presque plus et donc l'éclairage du champ visuel est primordiale. Ainsi, l'organisme est à la fois émetteur et récepteur de sa propre lumière.

Certaines espèces, comme la baudroie abyssale de Johnson, possèdent un appendice bioluminescent en avant de la tête pour éclairer l'espace alentour[10].

Types de bioluminescence[modifier | modifier le code]

En 2018, sept types de structures protéiques sont connues pour être impliquées dans la production de bioluminescence, les plus connues étant la luciférine et la luciférase[11].

La bioluminescence peut être divisée en trois types principaux : une bioluminescence intracellulaire, une extracellulaire et celle des bactéries symbiotiques.

Bioluminescence intracellulaire[modifier | modifier le code]

La bioluminescence intracellulaire est générée par des cellules spécialisées du corps (appelées photocytes) de certaines espèces multicellulaires dont la lumière est émise vers l'extérieur à travers la peau ou intensifiée par des lentilles et des matériaux réfléchissants (comme les cristaux d'urate des lucioles ou les plaques de guanine de certains poissons). Ce type de bioluminescence est celle de nombreuses espèces de calmars.

Bioluminescence extracellulaire[modifier | modifier le code]

Mécanisme général des réactions de bioluminescences

La bioluminescence extracellulaire est réalisée à partir de la réaction entre la luciférine et la luciférase, une enzyme. Une fois synthétisé, chaque composant est stocké dans des glandes de la peau ou sous celle-ci. L'expulsion et le mélange de chaque réactif à l'extérieur produit des « nuages lumineux ». Ce type de bioluminescence est commun à quelques espèces de crustacés et aux céphalopodes abyssaux.

Symbiose avec des bactéries luminescentes[modifier | modifier le code]

Ce phénomène est uniquement connu chez les animaux marins comme les cténophores, les cnidaires, les vers, les mollusques, les échinodermes et les poissons. Il semble que ce soit le type de bioluminescence le plus répandu du règne animal.

À différents endroits du corps, les animaux disposent de petites vésicules, communément appelées photophores (en) qui renferment des bactéries luminescentes. Certaines espèces produisent de la lumière continue dont l'intensité peut être neutralisée ou modulée au moyen de diverses structures spécialisées. Les organes lumineux sont généralement reliés au système nerveux ce qui permet à l'animal de contrôler l'émission lumineuse.

Utilisation en biotechnologie[modifier | modifier le code]

La bioluminescence est la cible de nombreux domaines de recherche. L'utilisation de la luciférase est répandue en génie génétique comme gène marqueur. Elle peut par exemple jouer un rôle important dans le diagnostic de maladies ou la détection de bactéries dans un produit. En biotechnologie, la bioluminescence a permis le développement de l'ATPmétrie. En effet, la luciférase est également capable de réagir avec l'adénosine triphosphate (ou ATP). Elle permet donc de quantifier la biomasse dans un échantillon grâce à un appareil appelé luminomètre qui mesure l'intensité lumineuse. Cette méthode est souvent utilisée pour connaître le taux de contamination d'un liquide physiologique. Par exemple, dans le domaine médical on peut détecter le taux d'alcoolisme ou les maladies hépatiques car le taux d'ATP diminue, ou encore dans le domaine agro-alimentaire il est possible d'observer la présence de bactéries lors des contrôles d'hygiène et de stérilisation [12].

Des bactéries du genre Vibrio, qui vivent en symbiose avec de nombreux invertébrés marins comme la seiche Euprymna scolopes ou des poissons, sont un modèle expérimental clé dans l'étude des symbioses, de la détection du quorum et de la bioluminescence.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Séverine Martini et Steven H. D. Haddock, « Quantification of bioluminescence from the surface to the deep sea demonstrates its predominance as an ecological trait », Scientific Reports, vol. 7,‎ (ISSN 2045-2322, PMID 28374789, PMCID PMC5379559, DOI 10.1038/srep45750, lire en ligne).
  2. a b c d et e Roger Dajoz, Dictionnaire d'entomologie : anatomie, systématique, biologie, Paris, éditions Lavoisier, coll. « Tec & Doc », , 336 p. (ISBN 9782743012304 et 2743012307, OCLC 690775576, notice BnF no FRBNF42176404), p. 37.
  3. a b c d e et f Stéphane Tanzarella, Perception et communication chez les animaux, Bruxelles, De Boeck Supérieur, , 334 p. (ISBN 9782804148966 et 2804148963, OCLC 69496477, notice BnF no FRBNF40220653), p. 197-200.
  4. Epoch Times, « Une étude démontre que l'homme est luminescent, bien que cela soit invisible à l'œil nu », (consulté le 30 octobre 2018).
  5. Measurements of human bioluminescence, Edwards R1, Ibison MC, Jessel-Kenyon J, Taylor RB, 1990, PMID 1978506.
  6. (en) Elliot Bentley, « Humans glow in the dark », The Guardian,‎ (lire en ligne).
  7. (en) Charles Q. Choi, « Humans Glow in Visible Light », sur Livescience, .
  8. Jean-François Buoncristiani et Pascal Neige, 101 merveilles de l'évolution, Malakoff, Dunod, , 240 p. (ISBN 9782100751853), p. 28-29.
  9. Dr. Biology, « Plancton qui luit dans le noir », sur Ask A Biologist, université d'État de l'Arizona (school of life sciences), (consulté le 30 octobre 2018).
  10. Jean-François Buoncristiani et Pascal Neige, 101 merveilles de l'évolution, Malakoff, Dunod, , 240 p. (ISBN 9782100751853), p. 202-203.
  11. INFOGRAPHIC Lighting Up the Animal Kingdom, by American Scientist Mars-Avril 2017.
  12. « Les applications de la bioluminescence - Vers luisants et poissons lanternes, une lueur d'espoir pour l'énergie de demain ? », sur sites.google.com (consulté le 1er novembre 2017).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Martini, S., & Haddock, S. H. Quantification of bioluminescence from the surface to the deep sea demonstrates its predominance as an ecological trait. 2017 Scientific Reports, 7.
  • D.Champiat Biochemiluminescence in Biotechnology 1992 Biofutur no 110, p. 3-19, Technoscope no 51
  • Dominique Champiat et Jean Paul Larpent, Biochimiluminescence. Principes et applications, éd. Masson biotechnologies, 1993, 531 p.
  • D. Champiat & al Biochimiluminescence and biomedical applications 1994 Cell Biology and Toxicology, volume 10, numéros 5-6
  • Champiat Dominique, et al., Applications of biochemiluminescence to HACCP. Luminescence. 2001 Mar-Apr;16(2):193-8
  • ATP-metry for detecting and counting viruses D. Champiat 2004
  • ATP-metry based on intracellular Adenyl Nucleotides for detecting and counting cells, use and implementing method for determining bacteria in particular devoid of ATP. D.Champiat 2004

Filmographie[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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