Bioluminescence

 

Comment s'éclairer sans électricité ?

 

La bioluminescence

 

Aujourd'hui tous les éclairages nécessitent de l'énergie pour fonctionner et éclairer nos habitats, nos rues, etc. Dans la Nature certains animaux produisent de la lumière de façon autonome.

 

 Poulpe bioluminescent

 

 Des chercheurs s'intéressent à ces phénomènes et pensent pouvoir, un jour, éclairer nos habitations grâce à la technique de production lumineuse qu'utilise nombres de poissons abyssaux par exemple.

 

Peu d'espèces animales utilisent la bioluminescence (1% des êtres vivants) car elle demande énormément d'énergie. Elle est essentiellement utilisée dans des milieux extrêmes qui la rendent indispensable (90% des organismes des mers profondes).

 

Cette technique est appelée en terme scientifique bioluminescence.

Elle consiste en la production et l’émission de lumière par un organisme.

 

Principe :

 

Cette émission de lumière se fait par la réaction biochimique entre une protéine substrat, la luciférine, et une enzyme, la luciférase.

Lorsque ces deux protéines se rencontrent, elles s’associent en un complexe qui catalyse ( = accélère ou ralentit une réaction chimique, sans lui-même se modifier) la réaction d’oxydation de la luciférine par le dioxygène (O2). 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 généralement. Le complexe luciférine – luciférase se désassemble en générant une molécule de CO2. Les deux protéines sont alors disponibles pour un nouveau cycle de réaction.

La lumière produite peut ensuite être réfléchie ou amplifiée par d’autres structures organiques.

Le plus souvent, ce sont des bactéries symbiotiques qui sont à l’origine de ces réactions, mais certains groupes comme les Lampyridés (vers luisants et autres lucioles) produisent eux-mêmes leurs protéines de luciférine et de luciférase.

 

Utilités dans le monde animal :

 

Les scientifiques estiment que la bioluminescence peut avoir quatre fonctions pour les organismes :

 

• Le camouflage. Les poissons et autres animaux marins utilisent

         leur bioluminescence pour être moins visibles des prédateurs situés

         en dessous d’eux : lumineux, ils se détachent moins de la surface

          claire au-dessus d'eux.

• L’attraction de partenaires sexuels ou de proies. 

• La répulsion des prédateurs. La projection de liquide luminescent

         peut en effet perturber un prédateur lors d’une attaque, ce qui facilite

         la fuite de la proie.

• La communication visuelle.

 

La chimioluminescence

 

L’homme a trouvé un moyen de produire quasiment similaire à la bioluminescence.

La chimioluminescence (ou chimiluminescence) fonctionne comme la bioluminescence à la différence prés qu'au lieu d'être une réaction faisant intervenir la luciferine et la luciférase, la chimioluminescence fait intervenir le luminol et le peroxyde d'hydrogène, pour créer un lumière bleutée. 

De plus la production de lumière par chimioluminescence n'est que brêve et ne dure que quelque dizaines de secondes tout au plus.

 

 

 

Une expérience pour produire de la lumière grâce à la chimioluminescence :

 

Une éxperience peut être réalisée pour créer de la lumière à partir d’une réaction chimique. Il est très difficile de se procurer de la luciférase, du luminol sera donc utilisé a la place.

 

Produits utilisés :

500 mL d'eau distillée

1g de Luminol

10g d'hydroxyde de sodium NAOH

10g de Ferricyanure de potassium K3[Fe(CN)6]

0,5 mL d'eau oxygénée à 30% concentrée

Bleu de méthylène ou Fluoresceine

 

 Mode opératoire: 

 

Solution A :

• Dissoudre 5 g d'hydroxyde de sodium dans 0,5 L d'eau distillée.

• Ajouter 0,5 g de luminol à la solution et agiter jusqu'à complète dissolution.

• Ajouter du colorant (fluoresceine ou bleu de méthylène) si besoin

Solution B :

• Dissoudre 7,5g de ferricyanure de potassium dans 0,5 L d'eau distillée.

Conserver au frais et à l'abri de la lumière (réfrigérateur) les solutions A et B. La réaction est plus longue si les solution sont refroidies.

Solution C:

Dans un bécher, verser 50mL de solution B et ajouter au dernier moment 0,5 mL d'eau oxygénée concentrée.

Puis, ajouter la solution A et observer. 

 

 Après avoir ajouté le luminol, la solution produit de la lumière normalement pendant quelques secondes selon la réaction suivante :

 

 

Applications à l'architecture, s'éclairer grâce à des végétaux bioluminescents

 

Vers l'apparition d'arbres lumineux dans nos rues ?

Une équipe de chercheurs de l'université anglaise de Cambridge a mis en point un procédé permettant de transférer des gènes  provenant de bactéries, à des végétaux.

 Afin de tester cette nouvelle technique de formation de plantes transgéniques, les scientifiques ont utilisé des gènes codant pour une protéine luminescente facile à tester et inoffensive pour la plante. 

Grâce à cette propriété, il est évident de voir si l'expérience est réussie ou non. En 1990, la bactérie Agrobacterium tumefaciens fut utilisée pour la première fois pour introduire le gène « luc » dans des cellules de plants de tabac. Le résultat fut un plant de tabac qui brillait d'une lumière verte après administration du substrat, la luciférine.

On peut donc imaginer des plantes transgéniques biolumineuses qui serviraient d'éclairage d'appoint dans nos maisons ou bien d'éclairage pour les voies publiques.

Plant de tabac bioluminescent (OGM)

Il s'agit là d'un premier pas vers la création d'arbres lumineux ! 

La lumière produite par les organismes bioluminescents est trop faible pour éclairer nos rues ou nos maisons. Pour augmenter cette lumière, les scientifiques ont cherché à modifier le génome d'insectes (lucioles) et de bactéries sous-marines (Vibrio fischeri) de façon à accroître leur production d'enzymes capables de produire de la lumière.

L'équipe s'est rendue compte qu'une culture de bactéries de la taille d'une bouteille suffisait à produire suffisamment de lumière pour permettre de lire. D’après leurs calculs, un arbre biolumineux n'aurait besoin que de 0,02% de l’énergie qu’il absorbe pour produire une lumière suffisante pour éclairer une rue.

  

Le Plancton lumineux comme modèle

Les surfeurs de Californie n'hésitent plus à enfiler leur combinaison et à partir à l'assaut des vagues en pleine nuit. Ce n'est effectivement pas tous les jours qu'on peut surfer sur des vagues d'un bleu brillant. Ce phénomène annuel se déroule à San Diego. Il est dû à un organisme vivant, un phytoplancton appelé Lingulodinium polyedrum rend l’eau rougeâtre pendant la journée.

 

Vagues illuminés par le plancton bioluminescents, Lingulodinium polyedrum

 

 

Ce phytoplancton agité par les vagues, produit et émet de lumière à la suite d'une réaction chimique au cours de laquelle l'énergie chimique est convertie en énergie lumineuse.

 

Ce phénoméne bioluminescent peut étre rapproché du principe du  glowstick.

 

Le Glowstick ou lightstick, est un tube de plastique fermé de manière étanche à ses extrémités.

Il contient deux substances chimiques différentes, séparées par une ampoule de verre cassable facilement.

 Lorsque cette ampoule est cassée par torsion du tube en plastique, les deux produits se mélangent et produisent de la lumière grâce à une réaction de chimioluminescence. L'ampoule cassable contient de l'eau oxygénée tandis que les extrémités contiennent du luminol ainsi qu'un colorant qui définira la couleur de la lumiére émise. Le mélange des deux provoque la réaction d’oxydo-réduction dans laquelle le luminol est oxydé. Il se décompose alors en dioxyde de carbone, ce qui produit de l’énergie et excite le colorant, qui retrouve son état fondamental en émettant un photon.                                                                                                                                        Schéma de fonctionnement d'un  glowstick

 

 

  Lampe autonome éclairant grâce au principe de chimiluminescence. Ce genre de lampe est utilisée par les spéléologues

 Glowsticks de differentes couleurs

 

A la suite du phénoméne dites des « vagues bioluminescentes » qui ont touchées la Californie cette année, des designers ont pensé remplacer les substances contenues dans les glowsticks par  celles nécessaires à la reaction chimique produisant de la lumiére par le phytoplancton lumineux.

En effet, l'agitation de l'eau et donc des algues entraine la production de lumière. Ils ont donc imaginer des dalles creuses fonctionnant sur le même système que les glowsticks et qui pourraient être installées dans des endroits ne nécessitant pas forcément un éclairage continu.

Ainsi en marchant sur ces dalles, le passant par la puissance de son poids exercé sur celles-ci, pourrait éclairer un couloir ou une petite rue.

Ils ont également imaginé des fontaines bioluminescentes où l'agitation de l'eau et donc du phytoplancton produirait une douce lumière.