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TPE Armelle et Anna la Bioluminescence

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by

briand armelle

on 9 February 2014

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Transcript of TPE Armelle et Anna la Bioluminescence

LA BIOLUMINESCENCE
INTRODUCTION
Le Plancton
Avez-vous déjà porté une luciole dans vos mains ? Pendant une chaude soirée d’été, la lumière d’une luciole parait rare et magique.
Bienvenue dans le monde de la bioluminescence, la famille de lumière produite par des êtres vivants.

Qu’est-ce que la bioluminescence ?

La bioluminescence est la production et l’émission de lumière par un être vivant, la combinaison de la vie et de la lumière (origine grecque du mot). La lumière produite est froide car moins de 20% de celle-ci génère de la chaleur.
De nombreux animaux ont la capacité d’émettre leur propre lumière, la majeure partie d’entre eux vivent dans les abysses (eaux profondes ), comme la méduse
Aequorea Victoria
ou la Baudroie abyssale.
Cependant, d’autres êtres vivants dans des milieux tout à fait distincts possèdent la même faculté. Ainsi nous pouvons nommer différentes sortes d’insectes (lucioles, mille-pattes…), de champignons, de planctons et de calamars.

Nous nous sommes demandés pourquoi certains animaux émettent de la lumière et comment ils y parviennent ? En quoi ce phénomène peut-il être utile pour l’Homme ?
Tout d’abord, nous chercherons à comprendre la fonction de la bioluminescence pour les animaux, puis nous étudierons le mécanisme à l’origine de cette émission de lumière. Enfin, nous nous pencherons sur les divers usages de la bioluminescence.

Le plancton est l’ensemble des végétaux aquatiques qui dérivent au gré des courants, ils sont généralement microscopiques. Les dinoflagellés appartiennent à la catégorie de plancton bioluminescent. Cette catégorie d’organismes unicellulaires regroupe plusieurs variétés, comme le
pyrocystis fusiformis
, le
noctiluca scintillans
ou le
pyrosystis lunula,
et peut être trouvée un peu partout dans le monde, en eau douce comme en eau salée.
Le dinoflagellée le plus connu est cependant sûrement le
pyrodinium bahamense
, celui-ci se trouvant principalement dans la baie de Puerto Rico, endroit très connu pour le spectacle insolite que produit le plancton.
Ainsi, si nous ne savons pas exactement pourquoi les dinoflagellés produisent leur lumière, nous savons cependant qu’il la produise plus fortement lorsqu’ils sont dérangés. De plus, ils savent « gérer» leur lumière pour n’en produire qu’à certaines heures de la nuit, après s’être durant toute la journée nourrit de l’énergie du soleil grâce à la photosynthèse.

Plage de Puerto Rico
Dinoflagellé vu au microscope électronique à balayage
Les lucioles
La luciole, aussi appelée ver luisant ou mouche à feu, appartient à la famille des coléoptères dont il existe 2000 espèces dans le monde qui produisent presque toutes une luminosité allant du jaune au vert. On peut les trouver dans certains états d’Amérique, en Europe, au Japon et surtout dans les régions tropicales.
Les lucioles ont recours à la bioluminescence pour trouver leur partenaire afin de se reproduire mais aussi comme un leurre. Chez plusieurs espèces de lucioles bioluminescentes, les mâles émettent un flash caractéristique durant leur vol de nuit. Les femelles observent ce flash et y répondent par un clignotement précis si elles aiment ce qu’elles voient.

Luciole sur un tronc
L'Aequorea Victoria
La méduse
Aequorea Victoria
est une espèce de méduse que l’on trouve presque exclusivement dans les eaux de l’Océan Pacifique, au large de l’Amérique du Nord.
Le diamètre de sa corolle peut aller de cinq à dix centimètres et elle est parfois nommée Cristal Jelly en raison de sa transparence.
Lorsqu’elle émet de la lumière, deux réactions interviennent : la bioluminescence puis la fluorescence. En effet, grâce à une protéine appelée GFP (green fluorescent protein), la fluorescence intervient et produit une lumière verte plus agressive pour ses prédateurs (la lumière de la bioluminescence étant bleue) ; nous supposons donc que sa lumière lui permet d’éblouir les prédateurs qui la prennent pour proie.

Groupe d'Aequorea Victoria de l'exposition "Creatures of the light" au Field Museum de Chicago
Une Aequorea Victoria
Les lucioles en danger :
Le nombre de lucioles décline en partie à cause des humains car nous aimons vivre dans de nombreux endroits communs à celles-ci.
Voici quelques recommandations pour avoir un jardin attirant pour les lucioles :
-éteindre les lumières extérieures qui peuvent se mettre en travers de la capacité des lucioles à capter les signaux des autres.
-laisser l’herbe et les broussailles pousser : pendant le jour elles passent leur temps dans l’herbe.
-les regarder mais ne pas les attraper : de nombreuses lucioles n’ont que deux semaines de vie pour se reproduire. Si vous en attrapez une, relâchez-la !
-éviter les pesticides : les larves des lucioles comme beaucoup d’insectes vivent dans le sol.
UTILISATION DE LA BIOLUMINESCENCE
Depuis qu’ils ont volé aux lucioles et aux méduses leur recette pour fabriquer de la lumière, les chercheurs l’emploient à toutes les sauces.
1-L’ATPmétrie :

L’ATPmétrie est une technique basée sur la bioluminescence qui permet de quantifier la biomasse présente dans un échantillon par dosage de l’ATP (Adénosine Triphosphate), molécule qui fournit l’énergie pour toutes les réactions chimiques des cellules des êtres vivants. L’ATP est donc un élément essentiel du vivant.
2- L’imagerie de la bioluminescence :

L'imagerie en bioluminescence est basée sur la détection de la lumière émise lors de la catalyse par l'enzyme luciférase de son substrat la luciférine.

Suivre une infection à la trace :

La dissémination des cellules cancéreuses est la cause majeure de mortalité chez les individus atteint du cancer. Les cellules se détachent de la tumeur primaire et se déplacent par voie sanguine ou lymphatique pour aller se placer dans d’autres parties du corps.
L’imagerie en bioluminescence est alors utilisée pour localiser des tumeurs
in vivo
et en suivre la progression. Pour cela, on inocule dans le virus, le gène de la luciole qui commande la fabrication de son ampoule chimique, la luciférase. Comme on le sait, c’est la rencontre de cette enzyme avec une protéine, la luciférine, qui produit chez l’insecte un flash de lumière. Une caméra ultra-sensible détecte les photons émis
in vivo
. Ainsi, pour traquer le virus dans une souris, il suffit d’injecter de la luciférine au rongeur : au fur et à mesure que le virus se diffuse dans l’animal, la luciférase entre en contact avec la luciférine et éclaire les cellules infectées.
3- S’éclairer

En Chine et au Japon, les familles pauvres utilisent les lucioles pour s’éclairer un minimum. En pratique, il faudrait une dizaine d’insectes pour atteindre la luminosité d’une bougie et environ 50 fois plus pour un éclairage similaire à une ampoule standard.

Eclairer les rues:
MECANISME
Emission
bioluminescente
des organismes
terrestres
Emission
bioluminescente
des organismes
marins
B) Les différentes sortes de bioluminescence

– Intracellulaire :

La réaction de cette bioluminescence a lieu à l'intérieur de l'animal, celui-ci est donc éclairé de l'intérieur. Elle est générée par des cellules spécialisées du corps (les photocytes). La lumière est émise à travers la peau ou mise en valeur par des matériaux réfléchissants (plaques de guanine de certains poissons), des lentilles, des filtres. Cette bioluminescence s'applique à de nombreux calmars.

– Extracellulaire :

La réaction de cette bioluminescence a lieu en dehors de l'organisme de l'animal. Elle est générée par la réaction luciférine/luciférase ( expliquée ci-dessus), la substance produite est conservée dans des glandes de la peau. L'expulsion produit un nuage lumineux autour de l'animal, celui-ci peut alors effrayer ses prédateurs, les tromper, etc...

– Symbiotique :

Ce type de bioluminescence est connu uniquement chez les animaux marins des abysses (certains calmars ou mollusques par exemple) et semble être la réaction bioluminescente la plus répandue du règne animal.
C’est la symbiose entre deux organismes qui ne peuvent vivre l’un sans l’autre (animal + bactérie), ainsi, les bactéries vivent en colonie dans certains organes spéciaux de leur hôte.
Grâce à un procédé appelé le Quorum Sensing (détection du quorum), chaque bactérie peut calculer la taille de la colonie ; et à partir de cela, chaque bactérie envoie un message chimique à sa voisine, qui elle-même enverra un message à sa voisine et ainsi de suite. Quand finalement toute la colonie a reçu le message, les bactéries commencent à briller en même temps et illuminent l’animal.

FONCTION
On peut trouver le phénomène de la bioluminescence chez de nombreux animaux, de catégories totalement éloignées et de milieux très distincts les uns des autres.
Ainsi, les animaux les plus connus sont, dans la catégorie des insectes, les lucioles et les vers luisants et, au niveau marin, les poissons des abysses et certaines méduses. Un seul paramètre réunit ces deux catégories d’animaux : l’obscurité dans laquelle ils vivent, les lucioles étant des insectes nocturnes et les abysses sous-marines ne laissant passer aucune lumière. C’est donc à cause de cette obscurité dans laquelle ils évoluent que ces animaux ont développé la bioluminescence ; cependant, celle-ci ne remplit pas toujours le même rôle en fonction de l’espèce chez qui elle se développe. De ce fait, nous pouvons en quelque sorte classer la réaction en trois grands rôles : la reproduction, la défense contre les prédateurs et l’attaque ou chasse d’une proie.

1) La reproduction :


Le phénomène de bioluminescence pour la reproduction se retrouve principalement chez les lucioles et les vers luisants.
Ainsi, pendant la période de reproduction, c’est un échange de signaux lumineux qui a lieu entre le mâle et la femelle. Les mâles tentent d’envoyer les signaux les plus intéressants possible pour que les femelle leur répondent et « donnent leur accord » pour se reproduire avec eux.
Ce procédé de séduction peut être très violent car une vraie compétition s’instaure entre les mâles, qui vont parfois jusqu’à se battre à mort pour une femelle, celle-ci choisissant le meilleur. A partir du moment où une femelle est conquise, le mâle accentue beaucoup l’intensité de la lumière qu’il émet, finalisant ainsi la décision de la femelle, qui lui adressera sa réponse sous la forme d’un autre signal lumineux.
De la sorte, le signal lumineux (qui se produit au niveau de l’abdomen de l’insecte), est très distinct en fonction de l’espèce de luciole qui l’émet ; il existe donc plusieurs centaines de signaux différents, les espèces de lucioles étant particulièrement nombreuses (environ deux milles). Ceux-ci diffèrent de plusieurs façons telles que la position des segments lumineux sur l’abdomen, la chaleur ou le rythme de l’émission, et sont parfois associés au langage morse.

1. Eloigner les prédateurs :

Quand l’animal se sent en danger, notamment lorsqu’il est en présence d’un prédateur, il va émettre de la lumière pour démotiver, éloigner la cause du danger. Ainsi la méduse
Atolla
et certains petits poissons des profondeurs, exagèrent leur taille grâce à de petits organes lumineux au-dessous de leurs nageoires et produisent des éclairs lumineux, cela effraie le prédateur. Certains mille-pattes semblent eux, dégoutter les prédateurs par la couleur qu’ils prennent par le biais de la bioluminescence.






Méduse Atolla illuminée ou non

Finalement, certains céphalopodes de la zone méso pélagique (200 m de profondeur environ), illuminent leur face ventrale ce qui leur permet de se fondre dans la lumière du soleil au-dessus d’eux et ainsi, rester invisible à la vue des prédateurs venant du dessous.

2. Prendre la fuite :

La plupart des animaux utilisant la bioluminescence pour prendre la fuite utilisent une réaction extra-glandaire, c’est-à-dire qu’ils éjectent la lumière produite hors d’eux. De ce fait, ils éjectent autour d’eux un liquide lumineux qui surprendra le prédateur et leur laissera donc le temps de fuir.
Par exemple, le calmar
Heteroteuthis Dispar
, quand il se sent en danger, produit un nuage lumineux qui se rapporte au nuage d’encre noir que les autres calmars auraient utilisé en surface (de nombreux crustacés des profondeurs utilisent également ce procédé).
Crustacé éjectant un nuage lumineux face à un prédateur
La défense:

La bioluminescence est utilisée à de nombreuses fins, mais la défense contre un prédateur est l'usage le plus développé chez les animaux, notamment les animaux marins.
Si le but est toujours de se débarrasser d’un prédateur, les raisons et les techniques ne sont pas forcément les mêmes d’un animal à un autre.
Nous pouvons donc distinguer trois raisons particulières :
• Eloigner les prédateurs
• S’éloigner des prédateurs, prendre la fuite
• Protéger les siens
La plupart des animaux connus pour se défendre grâce à la bioluminescence sont des animaux marins des abysses. Néanmoins, certains myriapodes (comme le
motyxia
, Amérique du Nord) se défendent aussi par ce moyen.

3. Protéger les siens :

Le principe de cette fonction est de faire diversion, ainsi les mâles
Tarletonbeania crenularis
(une variété de poisson lanterne), quand ils sentent un danger, agitent leur crête dorsale qui s’illumine ; ils s’éloignent en zigzaguant des femelle, restées dans l’obscurité, pour que le prédateur ne s’en approche pas.

Poisson lanterne à la crête dorsale illuminée
3) L'attaque:

Quelques animaux utilisent également la bioluminescence pour se nourrir, de ce fait, il existe certains poissons lanterne tel que le Melanocetus, qui possèdent un organe lumineux frontal à l’extrémité d’un barbillon, qui leur permet d’attirer leur proie près de leur bouche, on pourrait comparer cela à une sorte de canne à pêche ; sur le même principe, le Neoscopelus, illumine sa langue.
Cependant, les poissons ne sont pas les seuls à se nourrir grâce à la bioluminescence, en effet, une certaine espèce de moustiques présente en Nouvelle-Zélande, présente des larves dont les sécrétions sont bioluminescentes. Ainsi, par exemple, dans les célèbres grottes de Waitomo, de long filament de sécrétions pendent aux plafonds, ils sont destinés à attirer et piéger les autres insectes volants, présents dans la grotte, qui seront attirés par cette lumière.

Poisson lanterne et sa proie
Grottes de Waitomo, New Zealand
Désexcitation du photon
La réaction
CONCLUSION
Ainsi, le monde des vivants utilise la bioluminescence à de nombreuses fins telles que la protection contre les prédateurs, le camouflage, la séduction... Chaque espèce, animale ou végétale, a sa propre raison d'utiliser la bioluminescence. La lumière émise sous la forme d'un photon est produite à l'intérieur de l’organisme à partir d'une réaction entre la luciférine et la luciférase. Il existe différents types de bioluminescence, en effet, l’organisme peut être illuminé de l'intérieur ou émettre un nuage lumineux autour de lui.
De la réaction chimique naturelle à sa reproduction par l’homme, il n’y a qu’un pas et il a été franchi aisément pour apporter les avantages de la bioluminescence à la reconnaissance des tumeurs. Eclairer pour comprendre, éclairer pour suivre et localiser, telle est la fonction principale à ce jour de la bioluminescence au service de la médecine. Et bientôt, éclairer la rue avec des arbres luminescents. C’est possible techniquement mais encore au stade expérimental et avec bien des réserves en raison des manipulations génétiques que cela induit.

La bioluminescence a longtemps mystifié les scientifiques, il reste encore beaucoup de choses à découvrir !

Comme nous l’avons vu précédemment, la réaction de bioluminescence nécessite de l’ATP. La production de lumière à partir de cette réaction est mesurée avec un luminomêtre. Ainsi, si les concentrations en luciférine-luciférase et oxygène restent constantes, la quantité de lumière mesurée est directement proportionnelle à la quantité d’ATP.

Utilisation de l’ATPmétrie :

Cette technique est aujourd’hui utilisée dans le secteur de l’environnement pour mesurer les risque de développement de bactéries dans l’eau ou dans celui de l’agroalimentaire pour vérifier la stérilité de certains aliments ou contrôler la présence de levures et de moisissures dans des boissons. Elle permet également de vérifier l’efficacité des procédures de nettoyage et de désinfection des surfaces.
Luminomètre
Molécule ATP
L’imagerie cérébrale :

Une technique d’imagerie cérébrale utilise la bioluminescence. Elle permet grâce à un traceur, la protéine GFP aequorin, d’enregistrer l’activité neuronale (calcique), en continu et
in vivo
, des différentes structures du cerveau tant en profondeur qu’en surface.
Lorsqu’il y a changement de concentration calcique dans la cellule, à la suite par exemple de l’activation d’un neurone, cette protéine sensible au calcium, émet un photon.
Il est ainsi possible d'exprimer ce traceur dans l'ensemble des cellules du système nerveux du cerveau afin de suivre l’activité neuronale et tracer un réseau de neurones.


Détection de la tumeur primitive en site osseux et des métastases en site pulmonaire
En 2010, des étudiants de l’université de Cambridge au Royaume-Uni ont imaginé remplacer des lampadaires par des arbres lumineux. Le projet consiste à transférer les bactéries bioluminescentes dans les feuilles des arbres. L’équipe a réussi à introduire le gène qui fait briller la bactérie marine
Aliivibrio fischeri
dans le génome d’une cellule.
Le projet a remporté le premier de prix de la compétition internationale de biologie synthétique IGEM en 2010.

Dans l’espoir de donner un nouveau sens à l’expression « lumière naturelle », trois scientifiques d’un laboratoire californien ont lancé un projet pour développer des plantes qui brillent, conduisant potentiellement à des arbres capables de remplacer les lampadaires électriques.

En juin 2013, leur projet de créer des plantes bioluminescentes nommé Glowing Plant project, a efficacement récolté un demi-million de dollars. Le but à long terme est la création d’arbres pouvant être utilisés pour l’éclairage des rues ; cela permettrait ainsi de faire d’importantes économies d’énergie. “Les plantes lumineuses sont un symbole du futur, un symbole de développement durable”, explique Antony Evans, le chef de projet. Grâce au logiciel Génome Compiler, les chercheurs composent la séquence d’ADN, celle-ci est ensuite synthétisée et introduite dans le génome d’une plante.

Cependant, si l’équipe est confiante sur la capacité des plantes à émettre de la lumière, elle est plus sceptique sur la puissance de celle-ci. De plus, l’organisme nouvellement formé est un OGM, de ce fait, plusieurs organisations environnementales contestent le projet.

Les plantes n’éclaireront donc pas nos rues demain mais peut-être dans un futur proche !

Les arbres bioluminescents
Génome Compiler
Affiche du projet
1) La réaction chimique

L'émission de lumière résulte d'une réaction biochimique entre une protéine, la luciférine et une enzyme, la luciférase. Cette réaction a lieu dans des organes appelés photophores.
Cette réaction a été comprise en 1887 par Raphaël Dubois, un physiologiste français. Elle nécessite du dioxygène (O2) et de l'ATP (molécule qui fournie l'énergie pour toutes les réactions chimiques des cellules des êtres vivants).
Tout d'abord, l'ATP s'associe avec la luciférine, puis celle-ci se lie à la luciférase pour former un complexe oxydé (l'oxyluférine) assez instable qui se transforme en complexe excité. L'énergie de la molécule est au dessus de son état fondamental. En retournant à son état stable, la luciférine va émettre un photon correspondant généralement à des radiations bleues et vertes.
Enfin, l'oxyluférine va redonner la luciférine (qui pourra être réutilisée) ainsi que du dioxyde de carbone (CO2).

Equation de la réaction :

Luciférine+ luciférase+ ATP+ O2 ----------------------> Oxyluférine + CO2 + lumière
Bibliographie
Sites :
• http://fr.wikipedia.org/wiki/Bioluminescence#Fonction_de_la_bioluminescence
• http://tpe-bioluminescence.e-monsite.com/
• http://www.gurumed.org/tag/bioluminescence/
• http://bioluminescence31.e-monsite.com/
• http://labioluminescencedanslesabysses.e-monsite.com
• / http://dailygeekshow.com
• http://www.didier-pol.net/4BAC-LUM.html
• http://www.aqua-tools.com/textes/EIN_Dec_2008.pdf
• http://tpesurlabioluminescencelyceefabert.e-monsite.com/pages/1-les-outils-de-la-bioluminescence.html
• http://bioluminescences.com/atp/1-atp-metrie%20.html
• http://fr.wikipedia.org/wiki/ATPm%C3%A9trie
• http://archive.nrc-cnrc.gc.ca/fra/projets/ibd/imagerie-bioluminescence.html
• http://www-iab.ujf-grenoble.fr/plf_d.php?b=2&c=23&i=10
• http://www.news-medical.net/news/20090909/115/French.aspx
• http://www2.cnrs.fr/presse/communique/1045.htm
• http://www.citazine.fr/vite-lu/bientot-arbres-lumineux-pour-eclairer-la-ville
• http://www.nytimes.com/2013/05/08/business/energy-environment/a-dream-of-glowing-trees-is-assailed-for-gene-tinkering.html
• http://www.foodprocessingtechnology.com/contractors/quality_control/hygiena/hygiena1.html
• http://biology.clc.uc.edu/courses/bio104/photosyn.htm
• http://www.journaldunet.com/economie/magazine/innovation-2050/arbres-lampadaires.shtml
• http://blog.electricitybid.com/index.php/2013/05/02/glowing-plant-project/
• http://tpelumi.blogspot.com/2009/02/protocole-experimentale.html
http://fieldmuseum.org/ : creatures of light, exposition au Field muséum, Chicago, novembre 2013.

Ouvrages:
• Bautz Anne-Marie. La bioluminescence chez les animaux. Bulletin de l’académie Lorraine des sciences, 2005. 6 pages
• Valeur Bernard. Lumière et luminescence. Belin pour la science. 2007. 207 pages. Bibliothèque scientifique

Périodique:
• Science et vie junior aout 2011 263

Vidéo :
• KEZAKO : Puis-je l’éclairer avec un animal

Déroulement de la réaction
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