Bioluminescence : fonctionnement et mécanisme biologique

La bioluminescence est un phénomène naturel fascinant où des organismes vivants produisent et émettent de la lumière. Cette lumière est générée par une réaction chimique se produisant à l’intérieur des cellules de l’organisme. La bioluminescence, qui est donc la lumière produite par les êtres vivants, est assez répandue dans la nature. C’est quoi la bioluminescence ? La bioluminescence, c’est la production et l’émission de lumière par un organisme vivant. Cette lumière provient d’une réaction chimique de l’organisme qui transforme l’énergie chimique en énergie lumineuse.

Mécanisme chimique de la bioluminescence

La bioluminescence repose sur une réaction chimique. Chimiquement parlant, la bioluminescence est due à l’oxydation de substances dites luciférines, qui dégagent de l’énergie sous forme de lumière. Ces réactions sont catalysées par des enzymes dites luciférases. Le phénomène de bioluminescence est une réaction chimique entre une protéine substrat, qu’on appelle la luciférine, et une enzyme, la luciférase. Lorsque la luciférine et la luciférase se rencontrent, elles s’associent pour former un ensemble. Cette oxydation fait passer la luciférine d’un état stable à un état électroniquement excité et instable. Et une fois l’oxydation terminée, la luciférine retourne à son état stable. C’est à ce moment qu’elle émet un photon qui produit de la lumière.

La luciférine veut se combiner avec l’oxygène en utilisant l’énergie de l’ATP comme un propulseur et l’enzyme luciférase comme un accélérateur de la réaction. La luciférine et l’oxygène associés formeront ce qu’on appelle une oxydation. L’oxydation provoque l’excitation de la luciférine, un peu comme si la luciférine était chargée en énergie. Cette excitation est instable; la luciférine ne pourra retrouver son état stable qu’en libérant son excitation sous forme d’un photon, les petites particules qui composent la lumière. C’est cette réaction chimique qui, répétée des milliers de fois dans les cellules, crée la lumière que l’on voit briller chez les lucioles et d’autres organismes bioluminescents.

Efficacité et variations chimiques

Ces réactions sont extrêmement efficaces, car 98% de l’énergie disponible est émise sous forme de lumière. Après oxidation, les luciférines forment des oxyluciférines. Au moment où la luciférine et la luciférase se séparent, on observe l’émission d’une molécule de CO2. L’enzyme et la molécule peuvent alors à nouveau se rencontrer…et produire de la lumière. Quelques luciférines peuvent produire de la lumière de plusieurs couleurs. Il existe des substances, dites fluorophores, qui changent la couleur de la luminescence.

C’est le cas de la méduse Aequorea victoria, qui contient un fluorophore connu sous le nom de protéine fluorescente verte (GFP). Cette GFP absorbe la lumière bleue émise par la réaction initiale, et la réémet sous forme de lumière verte. Ce système de bioluminescence a trouvé récemment un usage en biologie : le gène qui encode la GFP est maintenant utilisé comme “étiquette” génétique pour tracer une protéine spécifique et révéler les gènes qu’elle exprime. Comme la GFP émet dans le vert sous éclairage bleu ou UV, elle est très facile à détecter.

Différence avec fluorescence et phosphorescence

La bioluminescence ne doit pas être confondue avec la fluorescence ou la phosphorescence. Ce processus se produit lorsqu’une molécule absorbe de la lumière invisible à l’œil nu (généralement ultraviolet) et émet de la lumière sous forme visible presque instantanément après l’absorption. Contrairement à la fluorescence, la phosphorescence implique un délai entre l’absorption de la lumière et son émission. Ce phénomène se produit lorsque l’énergie absorbée est stockée dans l’organisme ou le matériau pendant une période prolongée avant d’être relâchée sous forme de lumière visible.

Quelles espèces sont bioluminescentes ?

Il existe une grande variété d’organismes qui produisent de la lumière, que ce soit des insectes, des poissons, des mollusques ou des bactéries. On estime que 76% des organismes pélagiques (c’est-à-dire les poissons, crustacés et planctons qui vivent sous la surface de la mer) produisent de la bioluminescence. Les organismes bioluminescents comprennent une variété d’espèces telles que les bactéries, les champignons, les insectes et les animaux marins. On trouve des formes exotiques de bioluminescence dans les profondeurs obscures des fosses océaniques. La plupart des animaux marins produisent leur propre lumière ou hébergent des bactéries qui le font.

Les lucioles : Ces insectes sont probablement les organismes bioluminescents les plus connus. Ils produisent de la lumière pour attirer leurs partenaires lors de la reproduction. Chez plusieurs espèces, le mâle émet des clignotements lumineux en vol et est attiré par la réponse lumineuse de la femelle immobile. Chaque espèce a un rythme propre caractérisé par la durée du signal lumineux et par le temps entre deux signaux.
Les dinoflagellés : Ces micro-organismes marins produisent de la lumière lorsqu’ils sont perturbés comme signal d’alarme pour les prédateurs.
Les méduses : Certaines méduses, comme celles du genre Aequorea victoria, produisent une lumière verte grâce à une protéine fluorescente verte (GFP).
Les champignons : Environ 80 espèces de champignons produisent de la lumière. Cette lumière leur permet d’attirer les insectes qui, en se déplaçant sur le champignon, se retrouvent couverts de spores reproductives.
Les poissons : Il existe 320 espèces de poissons qui font partie des poissons-lanternes qu’on appelle les baudroies. Pour attirer des proies, les baudroies agitent devant leur bouche un leurre luminescent qui attire de petits poissons.
Bactéries : Pour la plupart, les espèces bioluminescentes appartiennent au monde des bactéries, et certaines communautés bactériennes vivent en symbiose avec des hôtes marins (par exemple le calmar de Hawaï Euprymna scolopes).

Fonctions écologiques de la bioluminescence

La bioluminescence est un trait fonctionnel important utilisé par les organismes marins pour la communication visuelle. Les créatures marines ont recours à la bioluminescence pour communiquer, traquer leurs proies, se camoufler et bien plus. La bioluminescence peut être un moyen de se camoufler et d’échapper ainsi aux prédateurs. Vu de dessous, un poisson nageant à la surface de l’eau paraît moins sombre s’il est lumineux, donc les prédateurs le voient moins bien. Pour attirer un partenaire sexuel. Attirer les proies dans l’obscurité. Produire un aspect repoussant ou toxique. Effrayer les prédateurs en émettant un bref éclair lumineux.

De nombreux organismes utilisent la bioluminescence pour surprendre et effrayer les prédateurs. Par exemple, certaines crevettes émettent des éclairs lumineux pour dérouter leurs agresseurs. La bioluminescence peut également être utilisée comme une sorte de camouflage (l’animal émet une lumière qui ressemble aux reflets de la lumière à la surface de l’eau). Cette capacité de certains êtres vivants de créer leur propre lumière intéresse depuis très longtemps les scientifiques qui rêvent notamment de pouvoir appliquer ce phénomène de la bioluminescence à l’éclairage public.

Distribution dans les océans

Une étude de 2017 conduite par l’institut de recherche de l’aquarium de la baie de Monterey (MBARI) a permis de montrer que, dans les écosystèmes pélagiques, plus de 75% des organismes individuels pouvaient émettre de la lumière. En menant ces travaux de recherche complémentaires, les chercheurs ont démontré que la variabilité globale de la distribution des organismes bioluminescents était liée aux principales différences entre les habitats benthiques et pélagiques dans les profondeurs des océans. L’observation directe de la bioluminescence in situ demeurant un défi technique, les chercheurs ont classé les taxons issus des observations en plongées ROV en fonction des connaissances acquises dans la littérature afin d’évaluer le statut de la bioluminescence.

Applications et utilisations humaines

En médecine, la bioluminescence est utilisée pour détecter et visualiser les cellules cancéreuses et les infections bactériennes. Le gène qui encode la GFP est maintenant utilisé comme étiquette génétique pour tracer une protéine spécifique et révéler les gènes qu’elle exprime. Dans cette activité, les étudiants peuvent observer une réaction qui émet de la lumière quand on mélange deux réactifs: l’ingrédient principal est le luminol, une substance synthétique qui produit de la lumière bleue, quand elle réagit chimiquement. Le luminol est utilisé en police scientifique, et à l’aide de quelles réactions chimiques il révèle des traces de sang.

La bioluminescence : une solution pour les villes durables ? Parce que la bioluminescence est moins énergivore et bien plus douce et naturelle pour les écosystèmes, elle pourrait être source d’innovations intéressantes pour les villes de demain. Plusieurs projets ont déjà vu le jour, notamment Glowing Plants aux États-Unis dont l’objectif est de transmettre à une plante, via une bactérie, la capacité de la luciole à briller. En France, la start-up Glowee utilise la bioluminescence pour produire des éclairages doux et naturels. La start-up utilise pour ce faire un gène emprunté à une espèce de calamar. Ce gène responsable de la bioluminescence est intégré ensuite à des bactéries (de type E.Coli). Et grâce à l’apport d’un sucre particulier, ces bactéries produisent une lumière douce et bleue jusqu’à épuisement du milieu.

Nouveau - Glowee, l’éclairage bioluminescent

Spectacles naturels et perception humaine

Les spectacles de bioluminescence sont l’une des merveilles de la nature. Depuis des millénaires, les gens ont été fascinés par la danse des vers luisants, ou par les vagues bleues du plancton marin. Les spectacles les plus fabuleux dus à la bioluminescence proviennent du plancton de dinoflagellés, qui rendent les vagues de l’océan lumineuses de nuit. Présents par millions dans les baies de Porto Rico, ces organismes unicellulaires produisent un magnifique effet scintillant, particulièrement visible les soirs où la Lune est peu lumineuse. La grotte de Waitomo, en Nouvelle-Zélande, est justement peuplée de milliers de vers luisants. Un paysage féérique !

Cas célèbres et anecdotes

L’écrivain romain Pline l’Ancien avait déjà observé que la crevette Pholas dactylus émet de la lumière quand on la mange.
Le calmar de Hawaï, Euprymna scolopes, s’illumine grâce à une bactérie bioluminescente qui vit dans l’un de ses organes.
Chez la baudroie des abysses, le leurre bioluminescent attire des proies suffisamment proches pour être capturées.

Aspects pratiques et sécurité des expériences

Dans les expériences scolaires, l’ingrédient principal est le luminol, une substance synthétique qui produit de la lumière bleue, quand elle réagit chimiquement. Les lunettes de protection, une blouse et des gants doivent être portés. Attention en manipulant H2O2 qui réagit violemment en présence de catalyseur. Verser 50 mL de la solution résultante dans un autre bécher et y ajouter 350 mL eau distillée. Verser 50 mL de ferricyanure de potassium à 3% dans un 3ème bécher contenant 350 mL eau distillée et 3 mL de peroxyde d’hydrogène 30%.

Recherche et perspectives

La bioluminescence a fasciné les gens pendant des milliers d’années. Elle continue à faire l’objet de recherches, en particulier dans l’exploration sous-marine. Les réactions chimiques qui conduisent à l’émission de lumière sont biochimiques. Cette capacité de certains êtres vivants de créer leur propre lumière intéresse depuis très longtemps les scientifiques qui rêvent notamment de pouvoir appliquer ce phénomène de la bioluminescence à l’éclairage public. À l’heure actuelle, la solution est encore balbutiante d’un point de vue de la maîtrise de la technologie, mais des entreprises se sont malgré tout lancées dans cette voie.

Organisme	Rôle de la bioluminescence	Exemple
Insectes	Communication sexuelle	Lucioles
Micro-organismes	Signal d’alarme	Dinoflagellés
Poissons	Leurre et camouflage	Baudroies / poissons-pêcheurs
Champignons	Attirer les insectes pour dispersion des spores	~80 espèces bioluminescentes

La plupart des animaux marins produisent leur propre lumière ou hébergent des bactéries qui le font. Une aptitude qui leur permet de communiquer, de trouver leur proie, de se camoufler et bien plus encore. Son importance est telle que cette caractéristique a évolué 27 fois chez les poissons à nageoires rayonnées, un groupe très diversifié qui compte pour la moitié de toutes les espèces vertébrées vivant à l’heure actuelle.

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