TPE : L’émission de lumière chez les êtres vivants

TPE : L’émission de lumière chez les êtres vivants

Matière et forme

Matière inerte, matière vivante et optimisation des formes

Introduction

Bioluminescence vient du grec bios qui signifie vie et du latin lumen qui signifie lumière. La bioluminescence est donc la production de lumière par un organisme vivant résultant d’une réaction chimique. C’est un phénomène utilisé majoritairement dans le milieu sous-marin : environ 85% des espèces vivant en dessous de 2000 mètres de profondeur produisent de la lumière par bioluminescence. Les êtres vivant utilisent cette réaction chimique afin de se camoufler, d’attirer (que ce soit comme leurre pour des proies ou afin d’attirer un partenaire), de repousser ou encore de communiquer.

Problématique : Comment la luciole et les bactéries émettent-elles de la lumière grâce à la bioluminescence ?

Dans une première partie, nous parlerons de la bioluminescence intracellulaire qui est utilisé par la luciole. Nous étudierons l’échelle macroscopique avant de passer à l’échelle microscopique. Après avoir réalisé une expérience de cette bioluminescence, nous expliquerons les mécanismes qui permettent l’émission de lumière. La luciole est un cas commun de bioluminescence et la façon dont elle produit de la lumière est identique chez beaucoup d’autres espèces (chimiquement parlant).

Dans une seconde partie nous parlerons de la bioluminescence bactérienne. Dans ce cas, ce sont des bactéries vivant en symbiose avec son hôte qui produisent la lumière observable. Nous commencerons par expliquer comment les bactéries « communiquent » entre-elles et comment les réactifs de la réaction chimique sont produits. Enfin nous

I) La luciole, un exemple de bioluminescence

La familles des lucioles et des lampyres (de son nom scientifique Lampyridae) regroupe plus de 2000 espèces qui émettent presque toutes de la lumière. Celles-ci utilisent le procédé de bioluminescence intracellulaire (car la réaction chimique se réalise dans les cellules de l’animal).

a) La luciole et ses cellules

 [pic 1]

Tout d’abord on remarque que la luciole à son
état  naturel  émet  de  la  lumière vert/jaune
depuis   son  abdomen.  C’est  de  cet  organe
uniquement  que  la lumière  est  perceptible.

[pic 2][pic 3]

En se rapprochant,  on obtient le dessin de la paroi de l’abdomen de la luciole ci-dessous (à l’échelle microscopique)

[pic 4]

[pic 5][pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10]

On voit bien que la lumière est émise depuis la couronne du photophore formée de plusieurs photocytes (celles-ci entourent la trachée). Et en regardant les photocytes de plus près on remarque la présence d’organites plus petits appelés peroxysomes.

En réalisant des recherches on découvre que ces peroxysomes produisent des enzymes dont la luciférase. La luciférase est une enzyme servant uniquement la création de photons (donc de lumière).

Nous allons afin de comprendre le mécanisme d’émission de lumière réaliser une expérience de chimioluminescence en modélisant les éléments naturellement présents dans la luciole par des substituts réagissant de façon similaire.

b) L’expérience

Matériel :

3 béchers de 500 mL                                                   - 6 béchers de 100 mL
- Balance de précision                                                   - Agitateur
- 1 g de luminol                                                              - 1 L d'eau distillée
- 10 g de d’hydroxyde de sodium NaOH                    - 0,5 mL d'eau oxygénée à 30%
- 15 g de Ferricyanure de potassium K3[Fe(CN)6]

Protocole :

• Ajouter dans un bécher A le luminol, l’hydroxyde de sodium NaOH  et 500 mL d’eau distillée
• Ajouter dans le bécher B le Ferricyanure de potassium, l’eau oxygénée à 30 % et 500 mL d’eau distillée.
• Faire l’obscurité.
• Mélanger autant de solution A que de solution B dans un bécher et observer. Ajouter de la solution B jusqu’à ce que la lumière n’apparaisse plus.

Le luminol (on peut également utiliser le pyrogallol) est un élément chimique pouvant remplacer la luciférine, un substrat nécessaire à la création de photons. La luciférase servant uniquement à catalyser l’oxydation de la luciférine, cette espèce chimique est remplacée un autre catalyseur (ici Ferricyanure de potassium K3[Fe(CN)6]). Comme la luciférine, le luminol est oxydé au cours d'une réaction par des molécules d’O2 (eau oxygénée), il atteint un état instable (tout comme l’oxyluciférine chez la luciole) et rejette un photon lumineux afin de revenir à son état fondamental.

Nous avons réalisé cette expérience et il s’avère que la réaction chimique libère de la lumière. Nous en déduisons donc que les éléments chimiques présence dans les photophores émettent de la lumière.

                      [pic 11]

c) La réaction chimique

Mais que se passe-t-il réellement dans la luciole ?

Dans l’animal, beaucoup d’éléments entre en jeu. Tout d’abord, à la base de la réaction, il y a la luciférine (un substrat) et la luciférase (une enzyme). Mais la luciférine, avec de se fixer sur la luciférase doit subir quelques modifications. Du Magnésium active des molécules  d’ATP (Adénosine triphosphate). L’ATP va à son tour activer le substrat. De plus, de l’oxygène nécessaire à la réaction chimique vient se fixer sur le substrat. La luciférine enfin « complète » va venir s’ajouter à l’enzyme en se fixant à elle. L’oxygène, lorsqu’il se fixe, crée un peroxyde qui est instable à cause de sa liaison O-O. Le complexe cherche alors à retrouver sa stabilité par une décarboxylation rejetant par la même occasion des photons.

...