Dans les profondeurs obscures des océans, 70 % des poissons dans un environnement pélagique sont bioluminescents et ce chiffre monte à 90 % des poissons en-dessous de 500 m de profondeur. Cette capacité extraordinaire à produire de la lumière dans l’obscurité absolue représente l’une des adaptations les plus fascinantes du monde vivant.
Les mécanismes chimiques de la production de lumière
La bioluminescence résulte d’un processus chimique remarquablement efficace. Dans la plupart des cas, la réaction principale implique un substrat appelé luciférine et une enzyme, la luciférase. Cette réaction fondamentale transforme l’énergie chimique en lumière visible avec un rendement énergétique impressionnant.
La bioluminescence résulte d’une réaction chimique entre une luciférine qui, en présence d’oxygène et d’une enzyme nommée luciférase, entraîne la création d’une molécule, (l’oxyluciférine) et l’émission de lumière. Ce processus produit ce qu’on appelle une « lumière froide » car elle produit très peu de chaleur, contrairement à l’incandescence.
Les chercheurs ont identifié trois types principaux de systèmes bioluminescents : le système luciférine-luciférase, le plus répandu que l’on retrouve chez les poissons abyssaux et de nombreux organismes marins. Il existe également le système coelentérazine et le système bactérien, chacun présentant des caractéristiques uniques.
La coelentérazine : un substrat universel des océans
Parmi les différentes luciférines, la coelentérazine occupe une place particulière dans l’écosystème marin. Cette molécule est le pigment émetteur de lumière pour neuf phylums, incluant les radiolaires polycystines, les protozoaires, les cténaires, les cnidaires comme les méduses et coraux, les crustacés, mollusques et vertébrés.
Cette omniprésence de la coelentérazine pose des questions fascinantes sur l’évolution. L’hydromeduse Aequorea victoria est incapable de produire sa propre coelentérazine et dépend d’un apport alimentaire de cette luciférine pour la bioluminescence. Ce phénomène suggère que de nombreux organismes marins obtiennent leur capacité lumineuse à travers leur alimentation plutôt que par leur propre synthèse.
La structure chimique de la coelentérazine explique en partie son succès évolutif. Elle est utilisée comme luciférine ou chromophore de photoprotéine dans une vaste gamme d’organismes marins bioluminescents, incluant des membres des phylums Radiozoa, Cercozoa, Porifera, Ctenophora, Cnidaria, Chaetognatha, Mollusca, Arthropoda, et Chordata.
Adaptations et fonctions dans les abysses
Dans l’environnement extrême des profondeurs marines, la bioluminescence remplit des fonctions vitales multiples. Dans un environnement où plus aucune lumière naturelle ne pénètre dans l’océan au-delà de 1 000 mètres, de nombreux organismes marins utilisent la bioluminescence pour répondre à leurs besoins basiques : se défendre, se nourrir, se rencontrer et se reproduire.
Les stratégies développées par ces organismes témoignent d’une ingéniosité remarquable. Des animaux montrent une caractéristique assez intéressante : si leur face dorsale est de couleur sombre, leur face ventrale est bien plus claire voire lumineuse. En effet, aux yeux des prédateurs qui pourraient les observer du dessous, ils imitent la couleur de la surface. Cette technique de camouflage par contre-illumination représente une adaptation sophistiquée aux contraintes de l’environnement abyssal.
Les mécanismes de défense utilisant la bioluminescence révèlent une diversité étonnante. La crevette des profondeurs Acanthephyra purpurea n’hésite pas à projeter du « vomi bioluminescent » de manière à repousser ses prédateurs. D’autres organismes comme l’Atolla Atolla wyvillei, une méduse des profondeurs, produit un flash lumineux lorsqu’elle est attaquée. Cette réaction lui a valu le surnom de « méduse alarme » car elle attire alors d’autres prédateurs qui la débarrasse de ses attaquants.
La communication joue également un rôle central. La plupart des émissions lumineuses marines se situent dans le spectre bleu et vert. Cependant, certains poissons à mâchoires lâches émettent de la lumière rouge et infrarouge, et le genre Tomopteris émet une lumière jaune.
Systèmes bactériens et symbioses lumineuses
Un aspect fascinant de la bioluminescence marine concerne les relations symbiotiques entre organismes et bactéries. Chez certains animaux, la lumière est bactériogène, produite par des bactéries symbiotiques comme celles du genre Vibrio ; chez d’autres, elle est autogène, produite par les animaux eux-mêmes.
Une bactérie bioluminescente est une bactérie productrice de lumière, qu’on trouve principalement dans l’eau de mer, les sédiments marins, la surface des poissons en décomposition et dans l’intestin des animaux marins. Ces bactéries ont développé un mécanisme de communication chimique appelé « détection du quorum » qui leur permet de coordonner leur émission lumineuse en fonction de leur densité de population.
Cette régulation intelligente de la bioluminescence permet aux bactéries d’optimiser leur consommation énergétique. La détection du quorum permet aux bactéries de conserver leur énergie en garantissant qu’elles ne synthétisent pas de produits chimiques produisant de la lumière à moins qu’une concentration suffisante de leur espèce ne soit présente pour être visible.
La bioluminescence marine continue de révéler ses secrets, des mécanismes chimiques fondamentaux aux applications biotechnologiques prometteuses. Ce phénomène a évolué indépendamment au moins 94 fois, apparaissant d’abord chez les octocoraux il y a environ 540 millions d’années, témoignant de l’avantage évolutif considérable que représente cette capacité à produire de la lumière dans l’obscurité des océans.