Bioluminescence rapport

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Introduction :
Dans la nature, on peut trouver des animaux émettant de la lumière, sous forme de
phosphorescence, fluorescence et bioluminescence : trois phénomènes strictement différents.
Ici, nous nous attarderons plus en détail sur la bioluminescence.
Mais comment ces espèces peuvent-elles émettre de la lumière et pourquoi ?
Pour répondre à ce problème nous nous sommes posées différentes questions
notamment si ces individus possédaient des organes spéciaux, si cette luminescence pouvait
être contrôlée et a quoi cela pouvait-il bien leur servir ?
Nous verrons dans un premier temps une définition générale de la bioluminescence
ainsi que son principe de fonctionnement. Puis, nous déterminerons les différentes structures
entrant en jeu dans l’émission de lumière. Nous terminerons enfin par expliquer l’importance
que la luminescence peut avoir dans la survie d’une espèce.
I\ Qu'est ce que la bioluminescence?
1- Définition :
Certaines espèces du monde animal ont la capacité de produire de la lumière sans
dégagement de chaleur: c'est la bioluminescence (ou photogenèse). Ce phénomène ne
nécessite aucun apport de lumière extérieur (sauf pour de très rares espèces où elle régule le
phénomène) contrairement au phénomène de fluorescence et phosphorescence. De plus les
longueurs d'ondes de ces deux phénomènes ne sont pas les mêmes : la meilleur longueur
d’onde pour la transmission de la lumière dans l’océan et la sensibilité maximale des
pigments visuels de la plupart des organismes marins est de 470 nm. On trouvera la
bioluminescence en majorité dans les milieux marins, chez certains insectes, crustacés,
mollusques, protozoaires, échinodermes et de rares vertébrés comme les poissons téléostéens.
Cet événement n'est en fait que le produit d'une réaction enzymatique.
2- Principe de fonctionnement
C'est, au 19ème siècle que Raphaël Dubois mit en évidence le principe de
fonctionnement de la bioluminescence. Il découvrit deux éléments fondamentaux: la
luciférine (un substrat) et la luciférase (une enzyme): on sera donc en présence d'une réaction
enzymatique.
Cette réaction se déroule en 5 temps. Tout d'abord le magnésium active l'ATP. Cet
ATP Mg active à son tour la luciférine. On remarquera qu'ici l'ATP ne fournit pas d’énergie, il
sert juste d'activateur. La luciférine ainsi activée pourra aller se fixer à son enzyme la
luciférase: on aura alors formation du complexe luciférine adélynate. L'arrivée d'o2 dans ce
complexe permettra une oxydation et l'apparition de l'oxyluciférine. Ce peroxyde étant
instable il s'excite durant une courte période avant de retrouver sa forme stable en libérant un
photon. C'est ce photon qui sera visible. On notera que d'autres molécules sont aussi émises
lors de la réaction: on trouvera du CO2, pyrophosphate, AMP qui ne nous intéresseront pas
pour la bioluminescence (figure 1).

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Figure 1 : Représentation schématique de la réaction enzymatique de la bioluminescence.
Selon les animaux la localisation de ces éléments indispensable à la réaction sera différente.
II\ Les différentes structures des organes lumineux et contrôle de l’émission :
Lors de leurs différentes expériences, les scientifiques ont pu se rendre compte de
l'immense diversité d'organes lumineux qui sont ou non impliqués dans la production de
lumière et dans son contrôle.
1- Substance lumineuse et organes glandulaires :
a) Sécrétion Extra-glandulaire :
Lorsqu’une espèce possède une bioluminescence extra-glandulaire, les organes
glandulaires peuvent être unicellulaires ou pluricellulaires et leur localisation est très
spécifique. Ces glandes peuvent contenir un ou deux types de cellules dont l’une d’elle
produit des granules de sécrétion appelées « spores » et qui entrent dans la production de
lumière. Dans ce cas, l’émission des substances lumineuses se fait dans le milieu extérieur.
- La production de lumière du lamellibranche Pholas dactylus (bivalve) se fait dans
des cellules glandulaires du manteau dans une cavité différenciée. La Pholade dispose de cinq
régions lumineuses aussi appelés « organes lumineux » où les substances photogènes se
trouvent sous forme de granulations intracellulaires.
Les deux premiers organes lumineux se trouvent sous forme d’une paire de longs
cordons parallèles dans le siphon inhalant sur les cordons siphonaux du mollusque, les deux
suivants sous forme de deux zones triangulaires à la base des siphons au niveau des organes

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palléaux et le dernier organe se trouve sous la forme d’une bande semi-circulaire au bord de
l’organe labial.
Ces régions lumineuses sont composées de deux catégories de cellules glandulaires,
fortement innervées et qui sont prolongées par un long conduit, qui passe les différentes
couches de l’épithélium de l’animal, jusqu’à le surface.
C’est lorsque la pholade est perturbée, les produits de sécrétion contenus dans les
cellules glandulaires sont excrétées dans le siphon de l’animal pour être mélangés entre eux,
et ensuite pour être rejetés dans l’eau de mer.
- Chez le céphalopode myopside Heteroteuthis dispar, d’origine Méditerranéenne,
l’organe lumineux est une glande contenant un réservoir qui est partiellement recouverte par
la poche d’encre de l’animal. Ce réservoir s’ouvre à la surface du mollusque, au niveau de la
cavité du manteau, par deux orifices. C’est grâce à des muscles, situés au niveau de
l’épithélium des cellules qui tapissent la glande, que les substances lumineuses sont
expulsées.
Figure 3 : Photographie d’Heterotheuthis Figure 4 : Schéma d’observation d’Heterotheuthis
dispar femelle publié par M. Vecchione dispar publié sur www.sealifebase.org
et E. Young sur tolweb.org

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La bioluminescence extra-glandulaire se retrouvera plutôt chez des espèces peu évoluées tel
que les bivalves ou les invertébrés. Chez les poissons téléostéens un autre type de
bioluminescence sera utilisé : l’intra-glandulaire.
b) Sécrétion Intra-glandulaire :
Dans ce type de bioluminescence, la réaction permettant de fabriquer de la lumière
peut se faire dans deux types de cellules et la substance lumineuse n’est pas directement
rejetée dans le milieu environnant :
 Tout d’abord, la bioluminescence peut se faire dans des cellules spécifiques
appelées photocytes.
C’est le cas pour certains Echinodermes, particulièrement chez certains Ophiures
comme Aphiura, Ophiopsila ou Ophiothrix. Dans la région photogène de l’animal, les glandes
unicellulaires, contenant les substances luminescentes, sont reliées vers l’extérieur par un
canal relié aux photocytes. Dans ce cas, les produits luminescents ne sont pas libérés dans le
milieu extérieur mais dans les photocytes.
La lumière apparaît dans les bras et parfois au niveau de piquants situés sur le corps.
Figure 5a : Photographie de Figure 5b : Photographie Figure 5c : Photographie de
Amphiura publié sur de Ophiopsila aranea Amphiura publié sur
Coxcorns.free.fr prise par G.Dallavalle et coxcorns.free.fr
publié sur pagesperso-orange.
fr/christian.coudre
Les colonies de Pyrosoma, peuvent aussi produire de la lumière de cette façon. Les
cellules glandulaires sont situées à l’entrée de la cavité branchiale de l’Urocordé et possèdent
des prolongements cytoplasmiques où se produit la réaction chimique.
L’individu possède deux glandes luminescentes efficaces et les phénomènes de
bioluminescence ont lieu durant la segmentation et lors des premiers stades embryonnaires.
Ce n’est que lors du développement embryonnaire que les photocytes vont migrer du disque
germinatif vers leur place définitive.
Les colonies de Pyrosomes forment un cylindre où les individus sont juxtaposés. C’est
grâce à la bioluminescence de chacun d’entre eux que la colonie prend des allure très
lumineuse que l’on nomme pyros (= feu).

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Figure 6 : Photographie de l’intérieur d’un Figure 7 : Photo d’un pyrosome prise par
pyrosome prise par Y. Müller et publié sur G. Cavignaux et publié sur
doris.ffessm.fr. On peut y voir en mauve les pagesperso-orange.fr/christian.coudre
languettesbuccales des ascidioïdes, en rouge une
partie des pharynx, et en jaune les organes de la
bioluminescence.
On remarquera que dans le cas de la bioluminescence mettant en jeu les photocytes, le
contrôle de l’émission de lumière peut se faire de deux manières : directe et indirecte.
Le contrôle indirect n’est en fait qu’un phénomène neuromusculaire : c’est une contraction de
fibres musculaires qui se contractent et permettent de faire sortir la substance lumineuse.
Le contrôle direct est une innervation directe des photocytes. Quand le photogène est excité,
on voit apparaître des changements cellulaires qui mèneront à son activation.
 Ensuite, la bioluminescence peut se faire dans des photophores qui se
présentent comme des organes très différenciés et possédant des écrans, des lentilles ou des
réflecteurs (on notera bien la différence avec les réflecteurs simple de lumière). Ici, le
photophore n’est en fait qu’un assemblage d’accessoires destinés à remanier la lumière émise
par les photocytes.
C’est chez les poissons que l’on trouve beaucoup d’exemple de bioluminescence intra-
glandulaire grâce à des photophores.