Introduction :
On appelle bioluminescence la production et l’émission de lumière par certaines espèces animales, indépendamment de la lumière environnante au moment de la production. Cette lumière se fait sans dégagement de chaleur, c’est ce que l’on appelle une lumière froide. En effet, la quasi-totalité de l’énergie dégagée lors de la réaction chimique est traduite en lumière et non en chaleur.
Cependant, il ne faut pas la confondre avec la phosphorescence ou la fluorescence. En effet, la phosphorescence est une émission de lumière qui se prolonge après l’excitation des électrons. La fluorescence se fait beaucoup plus rapidement, elle cesse dès que l irradiation s’arrête. La bioluminescence, au contraire, n’est pas produite par l’excitation des électrons mais crée au moyen d’une réaction chimique.
On observe ce phénomène de bioluminescence chez plusieurs espèces de différents milieux, en particulier dans les grands fonds marins.
Comment la bioluminescence est-elle synthétisée par certains animaux et en quoi est-elle utile à l’homme ?
Tout d’abord, nous expliquerons comment les animaux émettent cette lumière, nous nous appuierons sur des expériences.
Nous verrons ensuite en quoi la bioluminescence est utile pour les chercheurs.
La production de lumière par un être vivant n'est pas l'apanage exclusif de ce qui est appelé communément « ver luisants » et lucioles. Elle est connues chez des milliers d'espèces, allant de certaines bactéries à des requins, en passant pas des algues, des champignons, des insectes... La plupart des espèces abyssales sont luminescente.
I) Comment les animaux émettent-il de la lumière ?
Beaucoup d'espèces émettent de la lumière comme des animaux marins, plancton et poissons de fonds marins.
Ces animaux émettent de la lumière du violet au bleu.
Mais aussi les animaux terrestre, plus rare que la bioluminescence marine mais possédant des variété de couleurs plus importantes. Il y a les lucioles, certains champignons, arachnides, autres insectes et des bactéries.
Cette bioluminescence sert de camouflage, car dans la mer les prédateurs en-dessous des proies ont une impression de transparence avec la lumière de la surface.
Elle sert aussi d'attraction, le poisson lanterne qui agite au dessus de sa tête un leurre lumineux. Cette lanterne permet au poisson d’attirer ses proies vers sa bouche béante. Pour le poisson lanterne, sa lanterne s’avère bien utile aussi pour attirer les partenaires sexuels.
Elle sert de répulsion contre des prédateurs, par exemple certains calamars utilisent un nuage de bactéries bioluminescentes pour chasser les prédateurs, à la manière du nuage d'encre.
A) La réaction chimique
La bioluminescence provient soit de bactéries, soit d'une réaction chimique où la luciférine (substrat) émet de la lumière lors de son oxydation grâce a l'intervention d'une enzyme, la luciférase.
Schéma de la réaction chimique
-Pour commencer, l'ATP se lie avec l'ion magnésium (désormais support pour la luciférase) puis avec le substrat*.
-Puis la réaction enzymatique a lieu entre la luciférine et la luciférase qui donne un forme intermédiaire, la luciférine adénylate qui libère de la pyrophosphate*.
-Sur la forme intermédiaire, l'oxygène va réagir et donne l'oxyluciférine*. Ce peroxyde* va se cycliser* après libération d'adénosine-5'-monophosphate.
-Cette molécule à l'état électronique excité retourne à un état stable en émettant des photons (lumière) et du CO2.
-Enfin, l'enzyme se libère pour aller catalyser* une autre réaction.
(Luciférine + ATP)+ (Luciférase + O2) => Oxyluciférine + Photons
Lorsque le pH est neutre, la lumière produite est jaune-verte. Lorsque le pH est acide ou la température supérieure a 25°C, la lumière est rouge.
Schématisation complexe
B) Le phénomène dans la nature : les organes bioluminescents
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 avait un rapport direct avec la création de bioluminescence alors que d'autres pas, puisqu'ils intervenaient une fois la lumière produite.
Dans ce chapitre, nous nous intéresserons aux organes qui sont à l'origine de la lumière chez les animaux marins, étant donné que ce sont eux qui ont un rapport direct avec la bioluminescence.
On distingue deux différentes sortes d'organes bioluminescents.
Les premiers sont des organes faits 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.
En deuxième temps nous verrons des organes logés par des importantes populations de bactéries qui sont elles-même responsable de la bioluminescence.
a) Luminescence par les celulles glandulaires.
Luminescence extraglandulaire:
Les animaux dotés d'une luminescence extra-glandulaire possèdent des glandes qui produisent des substances lumineuses.
Ces glandes, soit unicellulaire soit pluricellulaires, sont repérables dans des zones bien localisées.
Dans celle-ci, on trouve des cellules qui produisent des " spores* " nécessaire à la fabrication de la lumière. Ces substances produites vont être ensuite reversées directement dans le milieu environnant (l'eau de mer) où va alors se produire la réaction.
On peut illustrer ce cas par plusieurs exemples d'animaux marins :
Ces glandes, soit unicellulaire soit pluricellulaires, sont repérables dans des zones bien localisées.
Dans celle-ci, on trouve des cellules qui produisent des " spores* " nécessaire à la fabrication de la lumière. Ces substances produites vont être ensuite reversées directement dans le milieu environnant (l'eau de mer) où va alors se produire la réaction.
On peut illustrer ce cas par plusieurs exemples d'animaux marins :
Tout d'abord, chez l'Emplectonema*,les cellules produisant de la lumière, les photocytes sont disposées sur toute sa superficie de l'animal. Par contre, chez le Pholas dactylus, lorsque l'animal est perturbé, les produits de sécrétion accumulés dans les cellules glandulaires sont mélangés entre eux, avant d'être rejetés dans l'eau de mer.
Emplectonema*On peut voir le même phénomène chez un céphalopode de Méditerranée, l' Heteroteuthis dispar*, il émet un nuage lumineux quand il est perturbé. L'organe lumineux est une grosse glande qui contient un réservoir qui s'ouvre sur la surface du céphalopode par deux trous. La glande est d'ailleurs munie de petits muscles pour l'évacuation des substances lumineuses. Dans la famille des crustacés, l'exemple de l'Cypridina* est le plus connu. On peut voir deux glandes lumineuses situées au-dessus de sa bouche .
Pholas dactylusCes cellules glandulaires sont arrangées en groupe et libèrent leur contenu par des pores. À chacun de ces pores est associé un sphincter* : il permet ainsi de contrôler le déversement ou non du contenu des pores. Chaque glande contient soit des granules de luciférine soit des petits granules de luciférase qui tous deux vont se mélanger lors de leur expulsion dans l'eau de mer.
Cependant de nombreuses espèces restent à découvrir.
Par ailleurs certains cas sont énigmatiques comme le Linophryne arcturi*, qui possède une substance lumineuse sur ses dents, dont l'origine reste inexpliquée...
Cypridina
Luminescence intraglandulaire:
Dans la bioluminescence intra glandulaire, on distingue celle provenant des photocytes,* et celle des photophores*.
Dans certains cas les produits ne sont pas déversés dans le milieu, la réaction luminescente a lieu dans des cellules spécialisées, les photocytes. On peut les qualifier ces cellules de photoémettrices.
Par exemple, la Pleurobrachia pileus produit des raies de lueur lorsqu'elle est soumise à une excitation. Les photocytes sont des éléments insérés dans la peau de l'animal.
Certains échinodermes font preuve d'une bioluminescence à l'aide de photocytes, notamment chez plusieurs ophiures. On peut apercevoir de la lumière dans les bras ou parfois sur le corps. Pleurobrachia Pileus
b) Luminescence par les bactéries:
Lorsque l'organisme ne possède pas de photophores, ce sont les bactéries présentes dans l'organisme qui sont responsables des émissions lumineuses.
Parmi les poissons lumineux littoraux : l'Anomalops et le Photoblepharon vivant dans les mers indonésiennes possèdent sous chaque œil, un grand organe lumineux ovale renferme une glande composée de nombreux tubes parallèles.
Ces tubes, bien irrigués de sang, contiennent des bactéries lumineuses
Anomalops
Chez les Anomalopidae, il existe une paire d'organes lumineux sous la mâchoire inférieure qui renferment des bactéries lumineuses. L'émission de lumière peut être constatée en plein jour aussi bien que dans l'obscurité.
C) 1.La bioluminescence naturelle de la truite
Suite aux conseils d'un chercheur de l'INRA d'Avignon, nous avons expérimenté la bioluminescence naturelle de la truite.
Protocole expérimental :
Laissez incuber une truite fraîche et entière pendant 48h à température ambiante.
Lorsqu'elle est bien incubée, enfermez vous dans une pièce totalement noire et laissez vos yeux s'habituer à l'obscurité.
Résultats :
On observe à l'œil nu une faible mais nette luminescence de la truite. Grâce a un grande vitesse d'obturation, nous avons obtenu un cliché mais qui reste très passable.
Explication :
Il existe une bactérie: la bactérie Vibrio fischeri qui se trouvent naturellement sur la surface du
poisson. Elle se multiplie à température ambiante. C'est cette
bactérie qui est a l'origine du phénomène bioluminescent.
poisson. Elle se multiplie à température ambiante. C'est cette
bactérie qui est a l'origine du phénomène bioluminescent.
2.La bioluminescence naturelle du calamar
On procède de la même manière pour voir si tous les êtres marins possèdent cette particularité.
Même protocole que pour l'expérience de la truite
Résultat: Lors de cette expérience, nous n'avons pas remarqué de phénomène bioluminescent.
Cependant le chercheur de l'INRA l'avait réalisé et avait détecter la même bactérie que pour l'expérience de la truite.
Cependant le chercheur de l'INRA l'avait réalisé et avait détecter la même bactérie que pour l'expérience de la truite.
Cette bactérie ne se situe donc pas exclusivement sur les poissons.
3.La chimioluminescence
Matériel
- 1L d'eau distilée
- 0,5 g de luminol
- 5 g de NaOH
- 7,5 g de Ferricyanure de potassium (3K+ ;[Fe(CN) 6]3-)
- 2,5 mL d'eau oxygénée à 30% concentrée à 110 volumes
Protocole expérimental
Préparation des solutions:
O,5 L de solution A:
-Dissoudre 5g d'hydroxyde de sodium dans 0,5 L d'eau distillée.
-Ajouter 0,5g de luminol à la solution
-Agiter jusqu'à complète dissolution
-Agiter jusqu'à complète dissolution
0,5 L de solution B:
-Dissoudre 7,5g ferricyanure de potassium dans 0,5 L d'eau distillée.
-Conserver au réfrigérateur les solutions A et B.
Experience:
-Prendre « n » récipients transparents pour « n » démonstrations
-Placer dans chacun 25 mL de solution A.
-Dans d'autres béchers « n » verser 25 mL de solution B.
-Ajouter au dernier moment dans chaques béchers «solutions B » 2,5mL d'eau oxygéné.
-Eteindre la lumière.
-Verser la solution « B+eau oxygéné » dans la solution A.
Observations :
Nous observons une forte lumière de couleur bleue de courte durée.
L'intensité de la lumière décroit car les réactifs se consomment au fur et à mesure de la réaction.
Des petites bulles de diazote sont visibles sur les parois du bécher.
La réaction est plus longue et plus intense si les solutions sont refroidies.
L'intensité de la lumière décroit car les réactifs se consomment au fur et à mesure de la réaction.
Des petites bulles de diazote sont visibles sur les parois du bécher.
La réaction est plus longue et plus intense si les solutions sont refroidies.
Oxydé en milieu basique, le luminol libère du diazote gazeux : N2 pour donner une molécule dans un état excité, c'est à dire électroniquement instable. Cette molécule émet un photon lumineux pour retrouver son état fondamental. Les photons émis se situent dans le domaine du visible, une lumière colorée est observable.
