Bioluminescence

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Rendu artistique d'un krill bioluminescent (couleur de l'eau par Uwe Kils)

La bioluminescence est la production et l'émission de lumière par un organisme vivant résultant d'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, 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.

[modifier] Distribution

Image d'une marée rouge bioluminescente intervenue en 2005 sur une plage de Californie montrant des vagues contenant des milliards de Lingulodinium polyedrum dinoflagellés.

Les derniers recensements estiment à 90 le pourcentage d'espèces vivant dans les abysses qui produisent de la bioluminescence d'une forme ou d'une autre. La majorité des émissions lumineuses marines appartiennent au spectre lumineux du bleu et du vert, les longueurs d'onde qui peuvent être transmis 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 connus sont les lampyres et les lucioles mais des facultés de bioluminescence ont été décrites chez d'autres insectes, des arachnides ou même chez certains champignons.

[modifier] Fonction de la bioluminescence

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

[modifier] Camouflage

Bien que cela puisse paraître paradoxal, certains poissons utilisent la bioluminescence à des fins de camouflage. En effet, à des profondeurs moyennes, les prédateurs traquent leurs proies par dessous, le contour des proies se dessinant ainsi comme des ombres chinoises dans la faible lumière arrivant de la surface. Certains poissons grâce à la bioluminescence produite sur leur région ventrale (qui simule la lumière de la surface) deviennent artificiellement transparents aux prédateurs situés plus profond.

[modifier] Attraction

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.

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 vu des poissons : le poisson, attiré par ses lumières arrivent et les avalent. Le plancton se reproduit plus vite dans l'abdomen du poisson que dans dans l'eau alentour (présence de bactérie, température plus élevée…) c'est pourquoi il arrive, que dans ces régions où l'eau est plutôt pure, si on s'amuse à remuer l'eau on peut y apercevoir des petits nuages bleutés qui s'y forment.

[modifier] Répulsion

Omphalotus nidiformis, éclairé

Omphalotus nidiformis, lumière éteinte

Certains calmars et petits crustacés 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.

[modifier] Communication

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.

[modifier] Types de bioluminescence

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

[modifier] Bioluminescence intracellulaire

La bioluminescence intracellulaire est générée par des cellules spécialisée du corps de certaines espèces pluricellulaires 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 calamar.

[modifier] Bioluminescence extracellulaire

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 synthétisée, 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.

[modifier] Symbiose avec des bactéries luminescentes

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 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 spécialisée. Les organes lumineux sont généralement reliés au système nerveux ce qui permet à l'animal de contrôler l'émission lumineuse.

[modifier] Utilisation en biotechnologie

Bioluminescence "artificielle" induite par génie génétique sur un plant de tabac.

La bioluminescence des organismes est la cible de nombreux domaines de recherche. L'utilisation de la luciférase est répandue en génie génétique comme gène marqueur.

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

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 appellé luminomètre qui mesure l'intensité lumineuse.

Par ailleurs, la structure des photophores est étudiée par l'industrie qui envisage des applications diverses :

des sapins de Noël qui ne nécessitent pas de lampes afin de réduire les risques électriques,
des arbres rayonnants sur le bord des autoroutes afin de réduire la consommation électrique,
des plantes qui s'éclairent lorsqu'il faut les arroser,
de nouvelles méthodes pour détecter les contaminations bactériennes de la nourriture
de nouveaux animaux de compagnie luminescents (lapins, souris, poissons...)