Bioluminescence naturelle

Qu’est-ce que la luminescence ?

La luminescence est le phénomène par lequel certains organismes vivants et matériaux produisent et émettent de la lumière. Ce processus peut se produire par trois différents mécanismes. D’abord, il s’agit de bioluminescence quand un organisme vivant fabrique lui-même de la lumière, puis on parle de fluorescence ou de phosphorescence lorsqu’un matériau brille en absorbant puis relâchant la lumière. Chacune de ces formes de luminescence implique des réactions entre la lumière et les molécules présentes dans les organismes ou les matériaux¹.

Qu’est-ce que la bioluminescence ?

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. Les organismes bioluminescents comprennent une variété d’espèces telles que les bactéries, les champignons, les insectes et les animaux marins. Ce phénomène joue des rôles essentiels dans la communication, la défense et la reproduction de ces organismes¹.

Quels rôles la bioluminescence joue-t-elle dans la nature ?

La bioluminescence remplit plusieurs fonctions dans la nature :

1. Reproduction :  Chez certaines espèces, comme les lucioles, la bioluminescence est utilisée pour attirer des partenaires pendant la saison de reproduction².
2. Communication : Les motifs lumineux créés et les séquences d’éclairage sont spécifiques à chaque espèce et peuvent ressembler à un code morse pour communiquer².
3. Défense: De nombreux organismes utilisent la bioluminescence pour surprendre et effrayer les prédateurs. Par exemple, certaines crevettes émettent des éclairs lumineux pour dérouter leurs agresseurs³. D’autres espèces plus petites vont plutôt émettre de la lumière pour attirer de plus gros prédateurs qui mangeront leurs prédateurs à eux.
4. Camouflage: Certains poissons des profondeurs utilisent la bioluminescence pour se camoufler en produisant une lumière identique à celle de l’environnement autour d’eux, les rendant ainsi invisibles⁴.
5. Chasse: Certaines espèces comme les poissons-lanternes utilisent des leurres lumineux pour attirer leurs proies jusqu’à eux⁵.

Quels sont les exemples d’organismes bioluminescents ?

On retrouve des organismes bioluminescents chez les insectes, mollusques, céphalopodes (famille des pieuvres et calmars), poissons, champignons, mais pour la plupart, les espèces bioluminescentes appartiennent au monde des bactéries. Voici 5 exemples d’espèces reliées aux phénomènes de bioluminescence les plus connus :

1. Les lucioles : Ces insectes sont probablement les organismes bioluminescents les plus connus. Ils produisent de la lumière pour attirer leurs partenaires lors de la reproduction⁶. 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. L’organe lumineux (appelé photophore) est situé dans les derniers segments de l’abdomen d’où la réflexion commune que les lucioles ont les « fesses qui allument »⁶.

Figure 1. Luciole et son organe luminescent (photophore)^13,14.

2. Les dinoflagellés : Ces micro-organismes marins (une algue microscopique faisant partie du plancton) produisent de la lumière lorsqu’ils sont perturbés comme signal d’alarme pour les prédateurs. Ils forment des regroupements de milliards d’individus créant des phénomènes lumineux spectaculaires dans les océans lorsqu’ils produisent tous de la lumière en même temps⁷.

Figure 2. Dinoflagellés dans l’océan^15,16.

3. Les méduses : Certaines méduses, comme celles du genre Aequorea victoria, produisent une lumière verte grâce à une protéine fluorescente verte (appelée GFP pour Green Fluorescent Protein)¹⁰. Cette protéine est différente de celles utilisées normalement par les espèces bioluminescentes. Cette méduse vit à des centaines de mètres de profond dans la mer dans une obscurité totale. Cette lumière est donc utile pour s’éclairer, se défendre des prédateurs et attirer le plancton pour se nourrir⁸.

Figure 3. Méduse Aequorea victoria^17,18.

4. 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 insectes dispersent par la suite les spores plus loin et permet au champignon de se reproduire⁹.

Figure 4. Champignons Mycena chlorophos et Panellus stipticus^19,20.

5. 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 curieux qui deviendront aussitôt un repas. Chez certaines espèces, le leurre imite différents types de petites proies comme les crevettes pour attirer des proies plus grosses⁵.

Figure 5. Poissons baudroies avec leur leurre lumineux^21,22.

Comment fonctionne la bioluminescence ?

La bioluminescence repose sur une réaction chimique. Dans les cellules d’un organisme bioluminescent se trouvent les 4 éléments nécessaires à cette réaction :

• La luciférine : une protéine qui joue le rôle de carburant et qui doit « brûler » pour produire de la lumière,
• L’ATP : l’énergie cellulaire qui agit comme propulseur ou comme une étincelle pour démarrer la réaction,
• La luciférase : une enzyme qui a pour rôle d’accélérer la réaction chimique qui prendrait beaucoup trop de temps à faire sans elle,
• L’oxygène : la molécule qui joue le rôle d’allumette et « brulera » la luciférine en se combinant avec elle.

La réaction produira 2 éléments au final:

• Un photon : les petites particules qui composent la lumière,
• L’oxyluciférine : une nouvelle molécule correspondant à la luciférine « brulée ».

En termes très vulgarisés, la réaction ressemble à ceci :

En utilisant le propulseur de départ et l’accélérateur, l’allumette pourra faire brûler le carburant et le charger en énergie. Pour éteindre la combustion, de la lumière sera libérée.

En termes scientifiques, la réaction ressemble plutôt à ceci :

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. À la fin de la réaction, une nouvelle molécule stable, l’oxyluciférine, est formée et la lumière apparait¹.

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. Les insectes, comme les lucioles, contrôlent l’émission de lumière (le temps et la fréquence) en maîtrisant l’arrivée d’air, donc d’oxygène, dans l’abdomen par leur respiration.

Certains organismes ne fabriquent pas eux-mêmes la luciférine pour effectuer la réaction chimique; ils l’absorbent d’un autre organisme soit en le mangeant ou par union fusionnelle entre les deux.

La lumière émise résultant de cette réaction chimique est unique : elle ne dégage pratiquement aucune chaleur puisqu’elle utilise l’énergie chimique.

La couleur de la lumière émise peut varier en fonction de la structure chimique de la luciférine et de l’environnement cellulaire, allant du bleu au vert (vus majoritairement en milieu aquatique puisque ce sont les longueurs d’onde qui peuvent être transmises aisément à travers l’eau), et plus rarement le rouge ou infrarouge.

Quelle est la différence avec fluorescence et phosphorescence ?

La fluorescence et la phosphorescence sont deux autres formes de luminescence, distinctes de la bioluminescence par leurs mécanismes et leurs applications.

1. Fluorescence : 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. Plus concrètement, c’est le phénomène de fluorescence que l’on observe sur les gilets orange fluorescents qui s’illuminent sur les chantiers de construction¹².
2. Phosphorescence : 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. Les objets phosphorescents, tels que les étoiles brillantes que l’on colle aux plafonds des chambres d’enfants, continuent de briller dans l’obscurité après avoir été exposés à la lumière¹².

Quelles sont les applications de la bioluminescence en recherche et en médecine ?

En médecine, la bioluminescence est utilisée pour détecter et visualiser les cellules cancéreuses et les infections bactériennes. Par exemple, des bactéries luminescentes génétiquement modifiées peuvent être utilisées pour détecter la présence de pathogènes dans les échantillons cliniques¹¹.

Il en va de soi que la bioluminescence est un phénomène naturel remarquable (et qui nous est bien utile) qui témoigne de la diversité, de la complexité et de l’ingéniosité des mécanismes biologiques.

Catherine Morin
Biologiste

Références

1. National Geographic. Qu’est-ce que la bioluminescence ? URL : https://www.nationalgeographic.com/science/article/bioluminescence
2. Encyclopedia Britannica. Bioluminescence. URL : https://www.britannica.com/science/bioluminescence
3. Science Magazine. Bioluminescence and its applications. URL : https://www.sciencemag.org/news/bioluminescence
4. Journal of Experimental Biology. Bioluminescence in marine organisms. URL : https://jeb.biologists.org/content/bioluminescence-marine-organisms
5. National Geographic. Comment les poissons-lanternes utilisent-ils la bioluminescence ? URL : https://www.nationalgeographic.com/science/article/fish-lantern-bioluminescence
6. Science Magazine. Les lucioles et la bioluminescence. URL : https://www.sciencemag.org/news/fireflies-bioluminescence
7. Journal of Experimental Biology. Dinoflagellates and bioluminescence. URL : https://jeb.biologists.org/content/dinoflagellates-bioluminescence
8. National Geographic. Méduses et bioluminescence. URL : https://www.nationalgeographic.com/science/article/jellyfish-bioluminescence
9. Encyclopedia Britannica. Champignons bioluminescents. URL : https://www.britannica.com/science/bioluminescent-fungi
10. Science Magazine. GFP and its applications. URL : https://www.sciencemag.org/news/gfp-applications
11. Journal of Experimental Biology. Applications médicales de la bioluminescence. URL : https://jeb.biologists.org/content/medical-applications-bioluminescence
12. Alloprof. La luminescence. URL : https://www.alloprof.qc.ca/fr/eleves/bv/physique/la-luminescence-p1053
13. Photo. URL : https://www.ecoledagriculture.fr/lucioles-ces-plantes-que-vous-devez-absolument-avoir-pour-les-faire-venir/
14. Photo. URL : https://www.science-et-vie.com/corps-et-sante/dou-vient-la-lumiere-des-lucioles-59105.html
15. Photo. URL : https://www.globalrescue.com/common/blog/detail/bioluminescent-beaches-travel-safety-guide/
16. Photo. URL : https://micro.magnet.fsu.edu/featuredmicroscopist/vanegmond/noctilucadarkfieldlarge.html
17. Photo. URL : https://thesteamblog.com/2024/05/20/glowing-insights-fluorescent-proteins-illuminate-the-path-to-discovery/
18. Photo. URL : https://www6.slac.stanford.edu/news/2017-09-20-high-speed-movie-aids-scientists-who-design-glowing-molecules
19. Photo. URL : https://commonnaturalist.com/2020/04/13/bioluminescent-fungi-glow-to-take-advantage-of-insects-looking-for-love/
20. Photo. URL : https://ultimate-mushroom.com/fr/poisonous/156-panellus-stipticus.html#google_vignette
21. Photo. URL : https://www.mnhn.fr/fr/baudroie-des-abysses
22. Photo. URL : https://asknature.org/fr/strategy/anglerfish-harness-both-light-and-darkness