Des coraux brillants aux crevettes vomissantes, les animaux utilisent la bioluminescence pour communiquer depuis des millions d'années : voici ce que les scientifiques ignorent encore à ce sujet

Les humains sont depuis longtemps fascinés par les organismes capables de produire de la lumière.Aristote, qui était à la fois scientifique et philosophe, a écrit le premier texte détaillé descriptions de ce qu'il appelle « la lumière froide» il y a plus de 2 000 ans.Plus récemment, des chercheurs pionniers comme un vétéran de l'armée de la Seconde Guerre mondiale Emmet Chappelle et pilote de véhicule de submersion profonde Edith Widder fait progresser l’étude de ce phénomène grâce à de nouvelles technologies.

Au moins 94 organismes vivants produisent leur propre lumière grâce à une réaction chimique à l’intérieur de leur corps – une capacité appelée bioluminescence.Les exemples incluent lucioles lumineuses, des algues qui créent «baies qui brillent dans le noir, petits crustacés avec parades nuptiales complexes, et les poissons et coraux des grands fonds.Pourtant, malgré son apparition généralisée, les scientifiques ne savent pas encore quand ni où il est apparu pour la première fois, ni sa fonction originale.

Comme biologistes marins OMS spécialisé dans les habitats des grands fonds, on sait que la bioluminescence est particulièrement commun dans l'océan.Cela indique que la production de lumière peut donner aux organismes du monde entier arbre de la vie un avantage de forme physique qui améliore leurs chances de survie.

Nos recherches se concentrent sur octocoraux – coraux à corps mou comme les gorgones qui ont la forme d’un arbre et que l’on trouve à divers endroits dans les océans du monde.Ils sont divers et ancien groupe d'animaux qui comprend quelque 3 500 espèces, dont beaucoup sont bioluminescentes.

Les octocoraux peuvent créer des jardins de coraux et des forêts d'animaux dans les océans, en particulier dans les profondeurs marines.Ces communautés fournissent des habitats et des habitats de reproduction à de nombreux autres animaux, notamment des poissons et des requins.

Tous les octocoraux utilisent la même chose réaction chimique pour produire de la bioluminescence.Une étude de 2022 a déterminé le relations évolutives entre ces coraux.Ces connexions génétiques et le fait qu’il existe des fossiles d’octocoraux font de ces animaux un sujet idéal pour étudier quand la bioluminescence est apparue et comment elle s’est propagée à travers les temps géologiques.

Tests de bioluminescence en mer

Il y a plus de dix ans, nous avons commencé à tester la capacité de différentes espèces d’octocoraux à bioluminesce.Pour produire cette lumière éclatante, les coraux doivent être stimulés physiquement ou chimiquement.

La bioluminescence a piqué notre curiosité pour la première fois lors d'une croisière de recherche en 2014 à bord du R/V Celtic Explorer au-dessus du Canyon Whittard au large de la côte sud-ouest de l'Irlande.Nous prélevions un échantillon de tissu d’un corail de bambou collecté dans les profondeurs marines par un véhicule télécommandé.

Le véhicule était équipé de bras manipulateurs qui permettaient au pilote de collecter des spécimens de coraux et de les placer dans des conteneurs d'échantillonnage pour maintenir les organismes en vie et protégés lorsque le véhicule faisait surface.Après que cet échantillon soit arrivé à bord du navire, nous avons utilisé des pinces pour prélever un seul polype de corail dans une pièce faiblement éclairée et avons vu un éclair de lumière bleue.

Depuis, nous travaillons avec des collaborateurs du Institut de recherche sur l'aquarium de la baie de Monterey et Université du Tohoku pour enregistrer quelles espèces sont capables de briller, soit sur le navire après leur collecte, soit lorsque nous les observons sur le fond marin à l'aide de caméras à faible luminosité.En combinant les données publiées précédemment, nous savons désormais que la bioluminescence est présente chez environ 60 espèces de coraux.Il est probable que beaucoup d’autres attendent d’être découverts.

Quand et pourquoi la bioluminescence est apparue

Dans une étude publiée en avril 2024, nous présentions le plus ancien enregistrement des temps géologiques pour la bioluminescence sur Terre.Nous avons montré que cette réaction chimique s'est produite plusieurs millénaires plus tôt que l'estimation précédente, à peu près au moment où la vie sur Terre se diversifiait rapidement, il y a plus de 540 millions d'années, au cours d'une période appelée l'explosion cambrienne.Nous avons déterminé cela en cartographiant la présence de bioluminescence sur l'arbre de vie octocoral, un outil graphique que les biologistes utilisent pour montrer les relations évolutives entre les espèces.

Initialement, la bioluminescence a peut-être évolué pour réduire radicaux libres – des atomes chimiquement instables qui peut endommager les cellules.Cependant, à un moment donné, cela a évolué vers une forme de communication.

Nos résultats indiquent que la signalisation lumineuse était la première forme de communication dans les océans, et nous savons que certains animaux capables de détecter la lumière évolué au cours de la période cambrienne.Nos recherches indiquent que des interactions impliquant la lumière se sont produites entre espèces à une époque où les animaux se diversifiaient rapidement et occupaient de nouveaux habitats.

Gagner et perdre de la lumière

Nous continuons de tester les capacités bioluminescentes des coraux de diverses manières.L'un des principaux composants impliqués dans la production de lumière chez les coraux et d'autres animaux est une enzyme appelée luciférase.À l’aide des données de séquence d’ADN, nous développons un test du potentiel génétique de bioluminescence qui nous permettra d’étudier plus facilement et moins invasivement ce trait.

Nous avons des preuves préliminaires que les octocoraux non bioluminescents ont encore gènes homologues de luciférase – des instructions génétiques transmises par un ancêtre commun à tous les octocoraux.Pourquoi les coraux incapables de produire de la lumière ont conservé ces gènes reste un mystère.

Produisent-ils une lumière de très faible intensité que les scientifiques ne peuvent pas détecter avec les méthodes actuelles ?Ou leurs gènes de luciférase sont-ils non fonctionnels ?Une étude plus approfondie pourrait montrer pourquoi certains octocoraux semblent avoir perdu la capacité de bioluminesce et comment cette perte a pu affecter leur survie dans différents habitats.

Nos résultats récents montrent que de nombreux coraux vivant dans des eaux peu profondes mais issus de ancêtres des eaux profondes conservé la capacité de bioluminesce.Il est possible que certains coraux aient perdu cette capacité au fil du temps, car elle est devenue moins utile dans les océans moins profonds et plus éclairés.

Nous étudions également comment la bioluminescence a évolué chez d'autres créatures, notamment les crevettes qui migrent vers le haut depuis les eaux profondes pour se nourrir pendant la journée et retournent dans les eaux profondes la nuit.Ces animaux sont exposés à des conditions de lumière changeantes et produisent de la lumière dans façons multiples et uniques.

À titre d'exemple notable, certaines crevettes vomir des produits chimiques produisant de la lumière, créant un jet luminescent pour repousser les prédateurs.Ils possèdent également des organes lumineux bioluminescents externes le long de leur corps qui produisent de la lumière bleue.

L'étude de ces créatures améliore notre compréhension de la façon dont différentes quantités de lumière dans l'environnement, y compris la lumière produite par les organismes, affectent l'évolution de la bioluminescence et influencer la vision des organismes.Cela peut donner un aperçu de la manière dont la bioluminescence a affecté l’évolution des yeux et la vision il y a environ 540 millions d’années, lorsque la vie sur Terre se diversifiait.

Le fait que les coraux soient capables de produire de la lumière depuis des centaines de millions d’années implique que cette capacité a contribué de manière significative à leur survie.De plus, nos résultats soutiennent l’idée selon laquelle la bioluminescence a été une forme essentielle de communication à travers les temps géologiques pour de nombreux types d’animaux, en particulier dans les eaux profondes.

Cette recherche nous a donné naissance à de nouvelles idées sur l’évolution et la communication précoces des animaux.La signalisation lumineuse a donné aux animaux une nouvelle façon de communiquer à une époque en évolution rapide, alors que de nouveaux prédateurs et un paysage plus complexe faisaient leur apparition.Des capacités sensorielles accrues dans l’océan auraient pu être utiles dans ces conditions.La bioluminescence est peut-être une pièce manquante du puzzle qui n’a pas encore reçu toute l’attention des études sur l’origine et l’évolution des animaux dans les temps profonds.