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Lumières dans les ténèbres

L’océan occupe les 3/4 de la planète et c’est ici où l’on peut observer les phénomènes les plus inconnues par l’homme.

En marchant le long de la plage la nuit, ou à la voile sur une mer sombre, vous verrez souvent des lumières scintillantes dans l’eau. C’est la bioluminescence, l’un des phénomènes naturels les plus étonnants que peuvent offrir les océans.


 Introduction


Ce phénomène consiste en l’émission de lumière visible et écologiquement fonctionnelle par des organismes vivants à la suite d’une réaction chimique naturelle (Haddock, 2010).

La grande majorité des organismes bioluminescents résident dans l’océan. Entre 700 genres sont connus pour contenir des espèces lumineuses, environ 80% sont des espèces d’organismes marins. Ceux-ci occupent une large diversité d’habitats, depuis les régions polaires aux tropicales et des eaux de surface jusqu’au fond des mers (Widder,2010).

La bioluminescence dérive des réactions chimiques très complexes, mais malgré cela, il s’agit d’un phénomène très étendu dans le milieu océanique parce qu’il concerne les 95% de la diversité des animaux marins (bactéries, dinoflagellés, radiolaires, cténophores, cnidaires, annélides, mollusques, crustacés, échinodermes, tuniciers et poissons). C’est la principale source de lumière en ce qui concerne l’océan et c’est aussi un élément indispensable pour la survivance de ces espèces sous-marines. Malgré tout cela, personne n’a pu encore trouver le pourquoi autant d’animaux sont bioluminescents.

La bioluminescence couvre toutes les dimensions océaniques et elle a évolué plusieurs fois, des bactéries aux poisons. Cette évolution a influencé le comportement des orgainsmes marins et la dynamique des écosystèmes (Haddock, 2010).

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 Le phénomène de la bioluminescence


Au XIXe siècle, Ráphael Dubois, scientifique Lyonnais, a mis en évidence les principaux constituants de la réaction enzymatique de ce phénomène. D’une façon générale, il est produit par la suite de l’énergie libérée au cours d’une réaction chimique dans laquelle sont impliqués une enzyme (luciférase ou photoprotéine) et trois substrats : la luciférine, l’oxygène et l’ATP.

Dans la plupart des cas, cette réaction est produite par l’oxydation d’une molécule luminescente : la luciférine. La vitesse de la réaction de celle-ci est contrôlée par une enzyme, soit une luciférase soit une photoprotéine.

Les photoprotéines sont une variante de la luciférase dans laquelle les facteurs requis pour l’émission de lumière (luciférine et oxygène) sont liés au même temps comme une unité.

D’un autre côtè, pour que ces photoprotéines produisent de la lumière, elles ont besoin de faire une liaison avec un ion ou un co-facteur (Ca2+ ou Mg2+). Cette liaison provoque un changement de conformation de la protéine. Grâce è cela, l’organisme peut contrôler avec précision l’émission de lumière (Haddock, 2010).

Compte tenu de la stœchiométrie de la réaction, pour chaque molécule d’ATP consommé il est émis approximativement un photon de lumière. La réaction complète se produit en moins d’une milliseconde et elle reste active pendant que l’organisme continue active (Sáenz et Nevárez, 2010).

Selon les différentes espèces d’animaux, la composition chimique de la luciférase et des luciférines varie, en produisant différentes couleurs. La majorité des émissions lumineuses marines appartiennent au spectre lumineux du bleu et du vert. Le spectre bleu appartient à une longueur d’onde qui se déplace très rapidement à travers l’eau de mer (Long. max 475 nm). Le vert, quant à lui, se trouve plus souvent dans les espèces benthiques et côtières d’eaux peu profondes parce que lˋaugmentation de la turbidité de l’eau due au grand nombre de particules en suspension, diffuse la lumière bleue et favorise la transmission des longueurs d’onde du spectre vert. C’est moins fréquent de trouver des espèces qui émettent de la lumière dans les spectres violet, jaune, orange et rouge. Dans la plupart de ces cas, leurs fonctions et leur chimie restent inconnues (Widder,2010).

Finalement, alors que les gènes qui codent la synthèse des nombreuses luciférases sont connues, les mécanismes de la biosynthèse de la luciférine sont presque inconnues. Tout cela pourrait être un domaine prometteur pour les futures recherche (Haddock, 2010).


 Structure des organes lumineux


En étudiant de nombreux spécimens d’animaux bioluminescents, les scientifiques ont découvert une extraordinaire variété d’organes lumineux. De ces organes, les scientifiques ont facilement montré que certains avaient un rapport direct avec la création de bioluminescence alors que d’autres pas, puisqu’ils intervenaient une fois la lumière produite.

On distingue deux différentes sortes d’organes bioluminescents. Les premiers sont des organes fais de glandes qui sont spécialisées dans la production et le stockage des substances bioluminescentes. Nous pourrons parler de deux phénomènes : la bioluminescence intra-glandulaire et la bioluminescence extra-glandulaire. Les deuxièmes sont des les organes habités par d’importantes populations de bactéries qui sont elles-mêmes responsables de la bioluminescence.

1) Luminescence par les cellules glandulaires

Il s’agit de cellules spécialisées dans l’élaboration des produits nécessaires à la luminescence, leur stockage et éventuellement le contrôle de leur réaction.

1.1. Luminescence extra glandulaire

Chez les animaux dont la luminescence est extra glandulaire, les glandes productrices des substances lumineuses peuvent êtres de structures unicellulaires ou pluricellulaires, et sont généralement localisées dans des régions bien circonscrites. Elles renferment parfois deux types de cellules qui produisent différentes granules de sécrétion concernés dans la production de lumière. Ces substances produites vont être ensuite reversées directement dans le milieu environnant (l’eau de mer) où va alors se produire la réaction. Dans ce cas, il n’existe pas de dispositif dioptrique.

1.2. Luminescence intraglandulaire

Chez d’autres animaux, la luminescence reste à l’intérieur des cellules : il s’agit d’une luminescence intracellulaire. Les zones lumineuses renferment des cellules modifiées appelées photocytes. Les photocytes peuvent être soit répartis dans tout l’organisme (chez les méduses par exemple), soit regroupés dans des organes lumineux appelés photophores : il s’agit alors de luminescence intraglandulaire.

Les photophores se présentent alors comme des organes hautement différenciés possédant des écrans, des lentilles et des réflecteurs, associés à un groupe de cellules émettrices, les photocytes. Ces photophores représentent la majeure partie de la présence de bioluminescence chez les animaux marins.

2)Luminescence par bactéries symbiotiques

Le deuxième type d’organes lumineux ne contient pas de photocytes, la lumière est produite par des bactéries lumineuses symbiotiques. Les photophores de ce 2e type ont une structure comparable à celle des précédents, on les rencontre chez de nombreux poissons et chez beaucoup de calmars. Les bactéries ne sont pas lumineuses jusqu’à ce qu’elles atteignent des densités suffisamment élevées pour initier le phénomène quorum sensing, et une fois induites elles brillent de façon permanente en présence d’oxygène plutôt que de produire des bouffées discrètes (comme les « flashs » lumineux produits par les organismes dinoflagellés luminescents. Ces propriétés sont spécifiques à des bactéries, ce qui les rend unique adapté comme symbiotes photogéniques et peut conduire à des spectaculaires phénomènes marins tels que les mers lactées bioluminescentes. Ces mers lactèes (milky seas en Anglais) sont une condition sur l’océan ouvert où de vastes zones de l’eau de mer (jusqu’à 6.000 miles carrés) sont remplis de bactéries bioluminescentes, produisant une lueur uniforme bleu et mystérieux de nuit.


 Les fonctions de la bioluminescence


La bioluminescence est présente chez tellement d’organisme que l’on pourrait imaginer qu’elle a de nombreuses fonctions dans l’océan. Toutefois, ces fonctions sont encore inconnues, parce que les preuves expérimentales ont été recueillies pour seulement quelques-uns des nombreux rôles proposés. La bioluminescence peut servir à plusieurs fins, à la fois offensive et défensive, au sein d’un seul organisme. Je résume ici l’ensemble des fonctions qui ont été proposées pour la bioluminescence marine.

1) Défense contre les prédateurs.

Il y a plus d’exemples connus de fonctions défensives de la bioluminescence qu’ offensives (Haddock, 2010). Elle peut s’exercer de trois façons différentes :

  • a) Émission d’éclairs lumineux inattendus afin d’effrayer les prédateurs (ex : méduses).

Quand un flash lumineux est produit à courte distance, la bioluminescence est supposé intimider et faire sursauter les prédateurs, les obligeant à hésiter.

  • b) Utilisation de la bioluminescence pour tromper les prédateurs.

La production de bioluminescence, exsudée ou sécrétée, peut prendre le rôle d’un écran de fumée, un nuage d’étincelles ou de fluide lumineux qui rend difficile pour le prédateur de suivre l’emplacement de sa proie pendant qu’elle s’échappe.

Un autre exemple sont les annélides à élytres luminescentes. Menacées par un prédateur, ils libérent des élytres qui émettent de la lumière en s’enfuyant. En cours de route ils détachent quelques élytres qui continuent à produire de la lumière alors qu’elles cessent d’en produire. Le prédateur se précipite sur les élytres lumineuses isolées tandis que les vers s’éloignent rapidement.

Les poissons lanternes qui vivent en banc utilisent un stratagème assez proche. S’ils sont attaqués par un prédateur, les mâles émettent de la lumière et s’éloignent du banc en nageant dans toutes les directions. Le prédateur tente de les poursuivre et s’éloigne ainsi des femelles restées dans l’obscurité.

Une autre situation ce la perdre d’une partie de son corps à une rencontre avec le prédateur. Ces tissus perdus peuvent continuer à briller pendant des heures, même à l’intérieur de l’estomac du prédateur. Ce le cas de quelques étoiles de mer.

  • c) utilisation de la bioluminescence pour se dissimuler des prédateurs (counterillumination).

C’est le cas chez les animaux de la zone mésopélagique (fréquent chez les crustacés, les céphalopodes et les poissons) dont la silhouette sombre se découpe contre la lumière venant de la surface. Toutes les espèces ont une face ventrale claire, beaucoup sont aplatis latéralement, mais le plus efficace est d’illuminer la face ventrale afin de se fondre dans la lumière du jour en arrière plan. La plupart possèdent des photophores ventraux dont la lumière émise vers le bas mime parfaitement celle de la surface de la mer. Pour obtenir le maximum d’efficacité, ils doivent correspondre leur luminescence à l’intensité, distribution angulaire et couleur de la lumière venant de la surface.

2) Attraction des proies

Dans les eaux mésopélagiques où la densité des proies sont faibles et les techniques de recherche visuelle sont limités par le mauvais éclairage, l’attraction des proies avec un leurre luminescent peut être particulièrement utile. Ce le cas des poissons-pêcheurs qui portent un barbillon pourvu de bactéries luninescentes. Ce barbillon imite les signaux d’une autre espèce et attire ainsi les proies vers la bouche du poisson. En outre, l’emplacement de l’ampoule luminescente (ESCA) à proximité de ou dans la grande bouche laisse peu de doute que c’est l’une des fonctions de l’organe.

Certaines Cephalopodes utilisent aussi la bioluminescence pour l’attraction des prois. Ainsi, le calmar Chiroteuthis a des organes lumineux spéciaux qui servent de leurres et pendent à la fin des longs tentacules comme des lignes de pêche, et le poulpe Stauroteuthis utilise ses rejets lumineux pour attirer leurs proies planctoniques.

3) Communication intraspécifique, en particulier entre partenaires lors des parades sexuelles.

La localisation d’un compagnon dans un environnement homogène sombre avec une faible densité de population peut poser de sérieux problèmes. De nombreux éléments suggèrent que une grande diversité d’espèces peut utiliser la luminescence pour attirer un partenaire.

Nombreaux espèces de calmars, poissons et crevettes, ont des photophores spécifiques à l’espèce,et autres espèces ont des photophores avec un dimorphisme sexuel.

Attirer un partenaire avec luminescence présente aussi un certain nombre d’inconvénients inhérents. Par exemple,un animal dans l’espoir d’attirer un compagnon peut attirer un prédateur au lieu, ou un animal à la recherche d’un compagnon peut être attiré par un prédateur par erreur.

De toute évidence, une signal luminescente d’accouplement efficace doit contenir des informations spécifiques via un certain modèle spatialle, temporelle ou de couleur (Young 1983)

4) L’éclairage

Il y a relativement peu d’exemples de cette utilisation de la bioluminescence. Par ailleurs beaucoup de poissons de la zone mésopélagique (jusqu’à 1000 m de profondeur) s’éclairent grâce à une luminescence bleue qui correspond aux longueurs d’onde les mieux propagées par l’eau de mer. Ils possèdent des pigments visuels sensibles à cette couleur. Certains poissons d’eau plus profonde comme Malacosteus possèdent 2 types de photophores : un qui émet en lumière bleue et un autre qui émet une lumière rouge de très grande longueur d’onde, invisible pour l’œi humain, mais visible avec une caméra sensible aux infrarouges. Ce poisson possède des pigments visuels sensibles à cette longueur d’onde et il se sert vraisemblablement de ce 2e photophore pour illuminer à leur insu des proies colorées en rouge (comme c’est le cas de nombreux crustacés) (Bautz, 2005)


 Applications de la bioluminescence

Les premières applications ont été réalisées dans le domaine de la microanalyse. La lumière émise par bioluminescence est un élément dont la mesure est facile, rapide et sensible, ce qui permet de doser certaines molécules impliquées de façon directe ou indirecte dans les réactions de bioluminescence. Il est particulièrement utile en microbiologie pour détecter l’activité des microorganismes pathogènes ou non, il est donc couramment utilisé dans les domaines de l’agro-alimentaire, de l’environnement et de la cosmétologie. Les applications dans le domaine medical sont particulièrement nombreuses, elles concernent non seulement l’activité microbienne, mais également l’activité d’autres types cellulaires, cellules sanguines, spermatozoïdes et même cellules cancéreuses.

Des applications se sont développées plus récemment dans le domaine de la génétique moléculaire et des biotechnologies. Le gène de diverses luciférases a été cloné. Il peut être couplé à d’autres gènes, la bioluminescence qui se manifeste en présence du substrat de l’enzyme permet alors :
- de vérifier si l’insertion d’un gène dans une cellule a réussi (le gène de la luciférase est un marqueur d’insertion)
- de vérifier l’activité d’un gène dont le produit n’est pas détectable de façon simple (c’est la technique du rapporteur luminescent).

On peut aussi obtenir des bactéries qui deviennent luminescentes en présence d’un composé chimique toxique, ce qui permet de détecter ce composé dans l’environnement ou dans la nourriture.


 Références bibliographiques

Articles

  • Bautz, A.M. 2005.La bioluminescence chez les animaux. Bulletin de l’Académie Lorraine des Sciences, 44 (1-4).
  • Haddock, S. H. D., Moline, M. A. et Case, J. F. 2010. Bioluminescence in the Sea. Annu. Rev. Mar. Sci, Vol 2:443–93.
  • Sáenz Marta, C. I. et Nevárez Moorillón, G. V. 2010. La bioluminiscencia de microorganismos marinos y su potencial biotecnológico. Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila, Volumen 2, No. 3.
  • Widder, E. A. 2010. Bioluminescence in the Ocean : Origins of Biological, Chemical, and Ecological Diversity. Science, 7 mai, Vol 328.
  • Young, R. E. 1983. Oceanic bioluminescence : an overview of general functions. Bulletin of Marine Sciences, 33(4) : 829-845.

Sites web

  • http://www.lifesci.ucsb.edu/~biolum/
  • http://coxcorns.free.fr/bio/

Images

  • Google images.


ruth,
date de publication : 28 février 2015,
date de dernière mise à jour : 28 février 2015


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