Sciences · Biologie
La bioluminescence
La bioluminescence est la production et l’émission de lumière par un organisme vivant, grâce à une réaction chimique entre une molécule, la luciférine, et une enzyme, la luciférase.
Mis à jour le 4 min de lecture
Lucioles des nuits d’été, vers luisants des talus, vagues qui scintillent de bleu, poissons des abysses munis de leurres lumineux : la bioluminescence est rare sur terre mais extrêmement répandue dans les océans. Selon une étude publiée en 2017, environ trois quarts des animaux observés dans la colonne d’eau, entre la surface et 4 000 mètres de profondeur au large de la Californie, étaient capables de produire de la lumière. Dans l’obscurité des profondeurs, la lumière vivante est un langage, une arme et un camouflage.
Comment un organisme produit-il de la lumière ?
La réaction de base est toujours la même, même si les molécules varient selon les espèces :
luciférine + oxygène → (sous l’action de la luciférase) → oxyluciférine à l’état excité → retour à l’état stable avec émission d’un photon de lumière
| Élément | Rôle |
|---|---|
| Luciférine | Molécule qui stocke l’énergie et devient lumineuse en s’oxydant |
| Luciférase | Enzyme qui accélère et contrôle la réaction |
| Oxygène | Oxydant indispensable |
| ATP (chez la luciole) | Fournit l’énergie d’activation de la luciférine |
| Photoprotéines (chez certaines méduses) | Complexes prêts à l’emploi, déclenchés par le calcium |
Les noms viennent du latin lucifer, « porteur de lumière ». Ils ont été donnés par le physiologiste français Raphaël Dubois, qui a démontré en 1885-1887, à partir d’un coléoptère lumineux et d’un mollusque, la pholade, que la lumière nécessitait deux substances distinctes, l’une détruite par la chaleur (l’enzyme), l’autre non.
Une lumière froide, très efficace
Chez la luciole, une très grande partie de l’énergie chimique est convertie en lumière, contre environ 5 % pour une ancienne ampoule à incandescence qui chauffait surtout. On a longtemps cité un rendement proche de 90 % ; des mesures plus récentes l’estiment plutôt autour de 40 %, ce qui reste remarquable. L'ATP consommée par cette réaction permet d’ailleurs de doser l’ATP en laboratoire.
Les couleurs
La plupart des organismes marins émettent du bleu ou du bleu-vert, les longueurs d’onde qui se propagent le mieux dans l’eau de mer. Sur terre, les lucioles produisent du vert, du jaune ou de l’orange. Quelques poissons des profondeurs (les poissons-dragons du genre Malacosteus) émettent du rouge, invisible pour la plupart des autres animaux des abysses : une sorte de lampe torche secrète.
Qui produit de la lumière ?
La bioluminescence est apparue indépendamment au moins une quarantaine de fois, et probablement bien davantage, au cours de l’évolution : un exemple frappant de convergence évolutive.
| Groupe | Exemples |
|---|---|
| Bactéries | Vibrio, Photobacterium, souvent symbiotiques |
| Dinoflagellés (plancton) | Noctiluca, responsables des vagues lumineuses |
| Champignons | Plus de 100 espèces, comme certaines armillaires ou le clitocybe de l’olivier, qui font luire le bois en décomposition |
| Cnidaires | Méduse Aequorea victoria, cténophores, pennatules |
| Mollusques | Calmars, pholade |
| Crustacés | Krill, ostracodes |
| Insectes | Lucioles et vers luisants (coléoptères), larves de mouches champignonnistes des grottes de Nouvelle-Zélande |
| Poissons | Baudroies abyssales, poissons-lanternes, poissons-hachettes |
Aucun oiseau, mammifère, reptile ou amphibien n’est bioluminescent, et presque aucune plante à fleurs. Certains animaux, comme le petit calmar Euprymna scolopes ou de nombreux poissons, n’ont pas leur propre système : ils hébergent des bactéries lumineuses dans des organes spécialisés (voir symbiose).
À quoi sert la bioluminescence ?
| Fonction | Exemple |
|---|---|
| Attirer un partenaire | Lucioles mâles et femelles qui échangent des clignotements propres à chaque espèce |
| Attirer une proie | Baudroie abyssale avec son leurre lumineux au bout d’un rayon de nageoire ; vers luisants des grottes néo-zélandaises qui attirent les insectes dans leurs fils collants |
| Se camoufler (contre-illumination) | Calmars et poissons-hachettes illuminent leur ventre pour effacer leur silhouette vue d’en dessous sur fond de ciel clair |
| Effrayer ou distraire un prédateur | Crevettes et calmars qui crachent un nuage lumineux ; dinoflagellés qui s’illuminent quand on les remue |
| Alarme antivol | En éclairant l’agresseur, le plancton attire les prédateurs du prédateur |
| Communication | Signaux entre congénères (voir communication animale) |
Chez les lucioles, chaque espèce a son propre rythme de clignotement. Certaines femelles du genre Photuris imitent les signaux d’autres espèces pour attirer leurs mâles et les dévorer : on les surnomme les « lucioles femmes fatales ».
Bioluminescence et fluorescence
Ces deux phénomènes sont souvent confondus.
| Bioluminescence | Fluorescence | |
|---|---|---|
| Origine de l’énergie | Réaction chimique | Absorption d’une lumière extérieure |
| Fonctionne dans le noir complet | Oui | Non |
| Exemple | Luciole | Coraux et scorpions sous lumière ultraviolette |
La méduse Aequorea victoria combine les deux : sa photoprotéine, l’aequorine, émet de la lumière bleue, aussitôt convertie en vert par une seconde protéine, la protéine fluorescente verte (GFP).
Des applications majeures
- GFP : isolée par Osamu Shimomura en 1962, elle a été transformée par Martin Chalfie et Roger Tsien en marqueur universel. Introduit dans une cellule, son gène permet de suivre en direct où et quand une protéine est produite. Prix Nobel de chimie 2008.
- Luciférase : son gène sert de « rapporteur » dans les laboratoires pour mesurer l’activité d’autres gènes, et pour détecter la présence de bactéries par dosage de l’ATP (hygiène alimentaire, hôpitaux).
- Aequorine : mesure du calcium dans les cellules.
- Imagerie : suivi de tumeurs ou d’infections chez l’animal de laboratoire.
Questions fréquentes
Pourquoi la mer brille-t-elle parfois la nuit ?
Le plus souvent à cause de dinoflagellés comme Noctiluca scintillans, qui émettent un éclair bleu quand l’eau est agitée par les vagues, un bateau ou un nageur. On parle de mer phosphorescente, bien qu’il s’agisse de bioluminescence.
Le ver luisant est-il un ver ?
Non, c’est la larve ou la femelle sans ailes d’un coléoptère, le lampyre. En Europe, les femelles allument leur abdomen en été pour attirer les mâles.
La bioluminescence chauffe-t-elle ?
Très peu. La réaction produit essentiellement de la lumière et presque pas de chaleur, d’où l’expression de « lumière froide ».