Adaptation à l'obscurité

 

 

Les profondeurs des océans sont sombres, et la lumière ne les traverse plus dès 200m, comment font les espèces pour survivre dans un environnement si obscur ?

Spectre éléctromagnétique

Ce schéma montre que dans l'eau les lumières chaudes telles que le rouge et le jaune sont très rapidement absorbées. Les dernières couleurs visibles en profondeur jusqu'à 100m sont le bleu et le vert, et bien qu'elles n'arrivent plus à partir de la surface dans les abysses, elles sont les lumières les plus courantes de la bioluminescence marine car elles sont plus facilement visibles.

 

Image satellite bioluminescence

Cette image est une photographie satellite prise de l'espace. La tache bleue lumineuse en bas à droite de l'image représente un phénomène de bioluminescence encore inconnu survenu dans l'océan Indien et elle s'étend sur près de 300km. Ce phénomène démontre bien l'importance du nombre d'organisme bioluminescent dans les océans.

 

 

 

Bioluminescence: émission lumineuse produite par certaines espèces animales


-De nombreux organismes des grands fonds utilisent la bioluminescence. Les poissons d'eau profonde ne font pas exception, une étude dans l'Atlantique Nord a découvert qu'à 500 m de profondeur 70% des espèces de poissons utilisent la bioluminescence et plus de 90% après 1000m.

 -La bioluminescence découle de réactions chimiques complexes. C'est un élément indispensable pour la survie de ces espèces sous-marines.

 

 

 

A) Le mécanisme de la bioluminescence

 

La bioluminescence est la production et l’émission de lumière par un organisme.

- Cette émission de lumière se fait par la réaction biochimique entre une molécule: la luciférine (substrat), et une enzyme, la luciférase. La réaction étant:

Représentation tridimensionnelle de la luciférine 

(jaune = souffre, bleu = azote, noir = carbone, rouge = oxygène, blanc = hydrogène)

Représentation tridimensionnelle de la luciférine

Représenation topologique d'une luciférine  

Représentation topologique de la luciférine


- Lorsque la luciférase rencontre la luciférine, la luciférase catalyse la réaction d'oxydation de la luciférine grâce à l'ATP (fournisseur d'énergie).

- Au cours de cette réaction il se forme de l'oxyluciférine et des photons.

- Cette oxydation fait passer la luciférine d’un état stable à un état électroniquement excité et instable.

- En retournant à son état stable, la luciférine émet un photon qui produit une lumière dans les spectres du bleu et du vert le plus souvent (ces couleurs sont celles qui sont les plus visibles dans les abysses).

- Enfin, le complexe luciférine – luciférase se dissocie en générant une molécule de CO2. Les deux espèces chimiques sont alors disponibles pour un nouveau cycle de réaction.

 

 

 

Schéma sur la bioluminescence

 


Schéma du mécanisme biochimique de la bioluminescence

 

 


 

B) Structure des organes lumineux

 
Il existe deux types d'organes lumineux :


• Le 1er type consiste en cellules glandulaires spécialisées dans l'élaboration des produits nécessaires à la bioluminescence, leur stockage et éventuellement le contrôle de leur réaction. Chez certains animaux ces cellules glandulaires émettent leurs sécrétions à l'extérieur, produisant ainsi une luminescence extracellulaire, souvent associée à du mucus (ex : crustacés et calmars).


Chez d'autres animaux, la luminescence reste à l'intérieur des cellules : il s'agit d'une luminescence intracellulaire. Les zones lumineuses renferment des cellules modifiées appelées photocytes. Ces cellules contiennent des structures particulières : les photosomes, formés par les tubules du réticulum endoplasmique. La luminescence est liée à un changement de la perméabilité de la membrane du réticulum endoplasmique qui met en contact la luciférine et la luciférase.


Les photocytes peuvent être soit répartis dans tout l'organisme (chez les méduses par exemple), soit regroupés dans des organes lumineux appelés
photophores : il s'agit alors de luminescence intraglandulaire. En général les photophores se forment au niveau de l'épiderme, ils sont plus ou moins enfoncés dans le derme (: une des trois couches de la peau située entre l'épiderme et l'hypoderme). Leur structure est assez complexe. Du côté interne, ils possèdent un réflecteur doublé extérieurement par une couche pigmentaire opaque qui réfléchit les rayons lumineux émis par les photocytes et les renvoie vers l'extérieur. La direction de propagation des rayons lumineux peut être contrôlée par une lentille de chitine (polymère du glucose) ou de protéine située dans l'ouverture du photophore. De plus la couleur de la bioluminescence peut être modifiée par un filtre coloré composé soit de cellules pigmentaires (filtre d'absorption) soit par de nombreuses couches réflectrices qui ne laissent passer que certaines longueurs d'onde (filtre d'interférence).

Schéma d'un photophore
 

Schéma d'un photophore

• Le 2ème type d'organes lumineux ne contient pas de photocytes, la lumière est produite par des bactéries lumineuses symbiotiques. Ces bactéries utilisent aussi la réaction de la luciférine pour produire de la lumière. Les photophores de ce 2ème type ont une structure comparable à celle des précédents, on les rencontre chez de nombreux poissons et chez beaucoup de calmars.

C) Les fonctions de la bioluminescence

 

La bioluminescence présente de nombreux atouts. Pour certains c'est un bon accessoire pour chasser. Ainsi, le poisson-pêcheur possède au-dessus de la tête une sorte de long rayon, terminé par un  filament lumineux, dont il se sert comme d'une canne à pêche : il agite le leurre luminescent pour attirer les petits poissons ou les crevettes. Avant même qu'elles ne l'aient repéré, il engloutit dans sa large gueule les proies passant à sa portée. Pour d'autres, la bioluminescense constitue un excellent camouflage ou un moyen de masquer la fuite: en brillant de mille feux, un animal déconcerte ses prédateurs et en profite pour s'échapper ! Des espèces abyssales envoient également des messages lumineux pour communiquer avec leurs congénères, notamment au moment de la reproduction.

            Ainsi, l'obscurité des grands fonds est animée de leurs rouges, vertes, jaunes, ou blanches, comme une voûte céleste piquetée d'étoiles multicolores.

 

Quatre rôles différents ont pu être mis en évidence.


1)  l'éclairage : il y a relativement peu d'exemples de cette utilisation de la bioluminescence. Beaucoup de poissons de la zone mésopélagique (jusqu'à 1000 m de profondeur) s'éclairent grâce à une luminescence bleue qui correspond aux longueurs d'onde les mieux propagées par l'eau de mer. Ils possèdent des pigments visuels sensibles à cette couleur. Certains poissons d'eau plus profonde comme le Malacosteus Malacosteus possèdent 2 types de photophores : un qui émet en lumière bleue et un autre qui émet une lumière rouge de très grande longueur d'onde, invisible pour l'oeil humain, mais visible avec une caméra sensible aux infrarouges. Ce poisson possède des pigments visuels sensibles à cette longueur d'onde et il se sert vraisemblablement de ce 2ème photophore pour illuminer à leur insu des proies colorées en rouge (comme c'est le cas de nombreux crustacés).


2) l'attraction des proies est une fonction beaucoup plus fréquente. 

Deux exemples : les poissons-pêcheurs Poisson-pêcheur qui portent un barbillon pourvu de bactéries luninescentes. Ce barbillon imite les signaux d'une autre espèce et attire ainsi les proies vers la bouche du poisson.  


3) la protection contre les prédateurs. Elle peut s'exercer de trois façons différentes :
- émission d'éclairs lumineux inattendus afin d'effrayer les prédateurs (ex : méduses).
- utilisation de la bioluminescence pour tromper les prédateurs. Par exemple les annélides à élytres luminescents Annélides menacées par un prédateur émettent La bioluminescence chez les animaux de la lumière en s'enfuyant. En cours de route elles détachent quelques élytres qui continuent à produire de la lumière alors qu'elles cessent d'en produire. Le prédateur se précipite sur les élytres lumineuses isolées tandis que les vers s'éloignent rapidement. Les poissons lanternes Poisson lanterne qui vivent en banc utilisent un stratagème assez proche. S'ils sont attaqués par un prédateur, les mâles émettent de la lumière et s'éloignent du banc en nageant dans toutes les directions. Le prédateur tente de les poursuivre et s'éloigne ainsi des femelles restées dans m'obscurité.
- utilisation de la bioluminescence pour se dissimuler des prédateurs. C'est le cas chez les animaux de la zone mésopélagique (poissons et calmars) dont la silhouette sombre se découpe contre la lumière venant de la surface. Toutes les espèces ont une face ventrale claire, beaucoup sont aplatis
latéralement, mais le plus efficace est d'illuminer la face ventrale afin de se fondre dans la lumière du jour en arrière plan. La plupart possèdent des
photophores ventraux dont la lumière émise vers le bas mime parfaitement celle de la surface de la mer.


4) la communication, en particulier entre partenaires lors des parades sexuelles.

Par exemple chez les polychètes luminescentes, l'essaimage et la parade sexuelle sont particulièrement spectaculaires. En premier lieu les femelles montent en surface où elles nagent rapidement en décrivant des cercles. Elles émettent leurs oeufs et un exsudat lumineux qui forme un halo autour d'elles. Les mâles montent alors en surface en émettant des éclairs de lumière. Ils nagent avec les femelles et libèrent leur sperme avec un exsudat lumineux.

 

Les conséquences de l'obscurité

Certains poissons abyssaux ont des yeux très réduits et sont parfois aveugles, d'autres ont développés des yeux ultra-sensibles afin de détecter la moindre variation de lumière. Ils mettent alors à profit la bioluminescence qui permet à certains organismes d'émettre de la lumière. Les poissons savent aussi tirer profit d'odeurs, de vibrations, ... pour se déplacer et avaler leurs proies.


 

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