Bionique  

Bioluminescence

L’émission de lumière froide par des êtres vivants

sur terre et dans l’eau salée de la mer

La bioluminescence est une émission de lumière froide par des êtres vivants, sur terre ou dans l’eau salée des mers et océans.

La luminescence trouve son origine dans le coeur des atomes et des molécules du corps lumineux : ceux-ci absorbent de l’énergie (venant de l’environnement ou fournie par une source d’énergie) ou bien répondent à une contrainte mécanique (agitation de l’eau, par exemple) et passent alors dans un état dit « excité », avant de revenir à leur état initial en émettant de la lumière. La luminescence n’est pas liée à la température du corps émetteur( c’est pour cette raison qu’on la dénomme lumière froide par opposition à l’incandescence, qualifiée de lumière chaude.

Le physiologiste français Raphaêl Dubois comprit l’étape chimique essentielle dans la production de bioluminescence en étudiant la Pholade Pholas dactylus, mollusque marin qui émet une substance lumineuse bleue quand on le dérange.
La bioluminescence : l’oxydation par l’oxygène moléculaire d’une substance cellulaire que Raphaël Duboisl baptisa luciférine, dont le produit d’oxydation, l’oxyluciférine, est en effet dans un état excité et se désexcite en émettant de la lumière. Ce type de réaction biochimique nécessite la présence d’une enzyme que Raphaël Dubois appela luciférase. Les luciférines et luciférases impliquées dans la réaction biochimique diffèrent selon les espèces mais on les appelle toujours simplement luciférine et luciférase.

Il existe plusieurs types de luciférine, chacun étant lié à une luciférase spécifique.

Bioluminescence sur TERRE

  • Sur terre, des insectes comme les lucioles et les lampyres génèrent eux-même une bioluminescence. Les vers luisants, dont on peut voir les petites lumières dans l’herbe, en été, sont en fait les femelles sans ailes du lampyre (du latin Lampyris qui signifie porteur de lumière).
  • Femelle de « ver luisant » gravide ( Common Glow-worm (Lampyris noctiluca, gravid female.
    Le « vers luisant » est en fait la femelle aptère (sans ailes) du coléoptère lampyris noctiluca, un insecte donc.  JPEG - 21.6 ko
    Bioluminescence des insectes
    Le « vers luisant » est en fait la femelle aptère (sans ailes) du coléoptère lampyris noctiluca, un insecte donc.

Les lampyres sont des insectes qui font partie de l’Ordre des coléoptères comme les lucioles, ou « mouches à feu » (fireflies en anglais). Les larves de lampyres, qui se nourrissent d’escargots et de limaces, possèdent déjà la faculté d’émettre de la lumière. La luciférine de luciole, celle de Photinus pyralis par exemple, nécessite la présence D’ATP et de magnésium.

Il existe près de 2 000 variétés de lucioles émettant 130 sortes de signaux lumineux. La répartition des segments lumineux sur l’abdomen de l’insecte dépend de l’espèce.

Luciola cruciata, que les japonais nomment Genji firefly ou Genji-botaru, représentent les esprits, errant joyeusement, des défunts.

Luciola cruciata est une luciole familère au Japon, où on la nomme Genji firefly et Genji-botaru.  JPEG - 8.8 ko
Luciole
Luciola cruciata est une luciole familère au Japon, où on la nomme Genji firefly et Genji-botaru.

L’élatéride des Antilles porte un organe luminescent orange en forme de coeur sur l’abdomen et deux organes jaune-vert sur les épaules. Les femmes aux Antilles s’en servent encore comme parure dans les cheveux. Le mâle en vol émet un signal lumineux auquel la femelle répond par un signal prolongé qui permet au mâle de se guider vers cette femelle, pour procéder à leur accouplement. Le codage des signaux lumineux n’est pas le même selon les variétés de lucioles. Chez Luciola aphrogenia, le mâle et la femelle émettent des éclairs dont la fréquence augmente au fur et à mesure qu’ils se rapprochent. Chez photinus, le mâle émet des éclairs doubles séparés par une durée précise, auxquels la femelle répond par un éclair après un délai également précis. Les lucioles du type Pteroptyx en Asie du Sud-Est se regroupent en essaim et les mâles émettent de façon parfaitement synchrone des éclairs au rythme de trois toutes les deux secondes.
Les éclairs synchrones d’une foule de mâles de lucioles Pteroptyx malaccae posées sur les branches d’un arbre dans une mangrove de Malaisie.

Multitude de lucioles Pteroptyx malaccae clignotant de manière parfaitement synchrone sur un arbre donnant l'impression d'une guirlande électrique pour sapin de Noël.  JPEG - 35.5 ko
Bioluminescence des lucioles
Multitude de lucioles Pteroptyx malaccae clignotant de manière parfaitement synchrone sur un arbre donnant l’impression d’une guirlande électrique pour sapin de Noël.

Dans des grottes, des larves de mouches des champignons tissent au plafond des filaments collants pour piéger les proies attirées par les queues luminescentes des larves.

D’autres insectes bioluminescents : Cratomorphus diaphanus, Luciola caucasica, Fulgora laternaria, Hotinus candelarius, Phrictus serratus Les insectes phosphorescents », ouvrage de Henri Gadeau de Kerville, Deshays, 1881).

Le mycellium de certains champignons (fungi) est capable d’émettre une bioluminescence qui rend lumineux du bois mort hébergeant ce mycellium.

Bioluminescence dans les eaux salées (MERS et OCEANS)

Les océans et les mers contiennent de nombreuses espèces d’êtres vivants pouvant emettre de la lumière froide. Le déclenchement de la réaction de bioluminescence diffère selon les organismes :

  • chez les bactéries (des genres Vibrio et Photobacterium , la bioluminescence est spontanée.
  • chez les organismes monocellulaires, l’émission de lumière est déclenchée par un stimulus mécanique induit par l’agitation de l’eau salée qui provoque une déformation de la membrane cellulaire.
  • chez les organismes pluricellulaires produisant leur propre bioluminescence l’émission de lumière froide est également déclenchée par un stimulus mécanique, mais la bioluminescence reste contrôlée par le système nerveux de l’organisme de l’animal lumineux. Mais les poissons bioluminescents, pour la plupart, hébergent des bactéries symbiotiques qui sont logées dans des organes spécifiques du poisson, du crustacé, et lui communiquent leur propre luminescence

La mer s’illumine parfois la nuit lorsque l’eau est agitée par les mouvements d’un nageur ou dans le sillage d’un bateau. Cette bioluminescence est émise par des bactéries dinoflagellés présentes dans le plancton qui dérive, comme par exemple Noctiluca scintillans.

Noctiluca scintillans, bactérie lumineuse, dinoflagellé, dérive avec le plancton dans l'eau salée.  JPEG - 21.4 ko
L’émission de lumière froide par des êtres vivants
Noctiluca scintillans, bactérie lumineuse, dinoflagellé, dérive avec le plancton dans l’eau salée.

Dans le cas de la bioluminescence des bactéries, la flavine mononucleotide réduite joue le rôle de luciférine, et la réaction utilise l’énergie apportée par le NADPH (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate) au lieu de l’ATP, une molécule que l’on trouve dans les êtres vivants. Un aldéhyde à longue chaîne sert de cofacteur et il subit, comme la flavine, une oxydation catalysée par la luciférase bactérienne. le complexe oxydé émet un photon.

Dans les grandes profondeurs des océans, environ 90 % des organismes émettent de la lumière dans le spectre visible, le plus souvent dans le bleu-vert. On y trouve des poissons, des crustacés, des calmars, des méduses et les bactéries Photobacterium et Vibrio (Aliivibrio), très largement répandues dans l’ensemble du domaine océanique.

La bioluminescence apparaît aussi au voisinage de la surface, chez des algues unicellulaires planctoniques (le phytoplancton autotrophe ou plancton végétal, à comparer avec le zooplancton aérobie ou plancton animal) et quelques poissons tel que Photoblepharon, ou poisson-phare, qui vit dans les récifs coralliens. L’émission de lumière (lumière froide) résulte d’une réaction chimique d’oxydation, nécessitant une enzyme, la luciférase.

Au cours de cette réaction, un substrat (la luciférine), excité, restitue l’énergie reçue sous forme de photons en revenant à un état stable. Les termes de luciférine et luciférase sont dus au chimiste lyonnais Raphaël Dubois (xixe siècle), qui a pour la première fois provoqué une réaction lumineuse in vitro. Ces termes regroupent en fait des composés chimiques très différents selon les espèces, ce qui correspond à la diversité et à la complexité de la bioluminescence. Alors que chez la plupart des poissons ce sont des organes spécialisés qui émettent la lumière, chez d’autres, comme Photoblepharon steinizi, la lumière provient d’un organe lumineux situé sous l’œil, constitué par une vésicule contenant des bactéries luminescentes symbiotiques.

Photoblepharon steinitzi possède sous chaque oeil un photophore rempli de bactéries, capables de bioluminescence, qui vivent en symbiose avec le poisson. D'autres photophores dessinent des lignes de points lumineux sur le corps de Photoblepharon, poisson phare (ou flash, ou lanterne, c'est (...)  JPEG - 30.9 ko
L’émission de lumière froide par des êtres vivants
Photoblepharon steinitzi possède sous chaque oeil un photophore rempli de bactéries, capables de bioluminescence, qui vivent en symbiose avec le poisson. D’autres photophores dessinent des lignes de points lumineux sur le corps de Photoblepharon, poisson phare (ou flash, ou lanterne, c’est selon).

Ces bactéries trouvent dans la symbiose une source de nutriments et un milieu protégé. Le poisson utilise la lumière produite par les bactéries pour attirer ses proies, échapper à des prédateurs ou communiquer avec ses congénères. Il contrôle l’émission lumineuse en masquant ou démasquant ses vésicules oculaires (photophores) remplies de bactéries.

 

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