La lumière vivante : chimie de la bioluminescence Teach article

Traduit par Maurice Cosandey. Comment illuminer vos leçons de chimie à l’aide de la bioluminescence.

Les spectacles de bioluminescence sont l’une des merveilles de la nature. Depuis des millénaires, les gens ont été fascinés par la danse des vers luisants, ou par les vagues bleues du plancton marin. Cette fascination est toujours pareille de nos jours, mais aujourd’hui la chimie permet d’expliquer ce qui se passe, et de l’utiliser dans nos laboratoires.

Il existe une grande variété d’organismes qui produisent de la lumière, que ce soit des insectes, des poissons, des mollusiques ou des bactéries. L’écrivain romain Pline l’Ancien avait déjà observé que la crevette Pholas dactylus émet de la lumière quand on la mange. Il avait aussi note que le lichen Omphalotus olearius est lumineux de nuit.

Mais les spectacles les plus fabuleux dus à la bioluminescence proviennent du plancton de dinoflagellés, qui rendent les vagues  de l’océan lumineuses de nuit.  On trouve des formes exotiques de bioluminescence dans les profondeurs obscures des fosses océaniques. Le poisson angler utilise  un éperon lumineux pour attirer ses proies.

La bioluminescemnce, qui est donc la lumière produite par les êtres vivants, est assez répandue dans la nature. Mais dans quel but ? En fait, il y en a beaucoup :

• Produire un aspect repoussant ou toxique. Exemple : les vers luisants Photinus ignitus, et Lucidata atra
• Effrayer les prédateurs en émettant un bref éclair lumineux. Exemple : Poisson-lanterne.
• Attirer un partenaire sexuel. Exemple : les vers luisants.
• Attirer les proies dans l’obscurtié. Exemple : poisson angler.
• Disparaître à la vue. Vu de dessous, un poisson nageant à surface de l’eau paraît moins sombre s’il est lumineux, donc les prédateurs le voient moins bien. Exemple : le calmar Abralia verany.

Couleurs luisantes

La bioluminescence peut produire différentes couleurs, mais surtout le bleu, le vert et le jaune. La couleur dépend de l’environnement. Le bleu est favorisé par les animaux vivant dans les profondeurs de l’océan, le vert près des côtes: Sur terre ferme et en eau douce,  c’est  le jaune et le vert qui sont favorisés.

On peut se demander quelle est la réaction chimique qui conduit à l’émission de lumière. Et comment obtient-on des couleurs différentes?

Chimiquement parlant, la bioluminescence est due à l’oxydation de substances dites luciférines, qui dégagent de l’énergie sous forme de lumière. Ces réactions sont catalysées par des enzymes dites luciférases. Après oxidation, les luciférines forment des oxyluciférines. La table 1 présente les luciférines propres à certaines espèces et les oxyluciférines correspondantes.

Table 1. Description des luciférines et oxyluciférines présentes dans certains organismes bioluminescents

Espèce bioluminescente	Nom de la luciférine	Nom de l’oxyluciférine
Dinoflagellés	Luciférine des dinoflagellés C33H3806N4Na2
Calmar, crevettes	Coelenterazine C26H2103N3
Vers luisants	Luciférine des vers luisants C11H8N2O3S2

Ces réactions sont extrêmement efficaces, car 98% de l’énergie disponible est émise sous forme de lumière. C’est bien mieux que les lampes électriques à filament, dont le rendement énergétique n’est que de 2%, le reste étant perdu sous forme de chaleur.

Quelques luciférines peuvent produire de la lumière de plusieurs couleurs. Voir table 2. Et il existe des substances, dites fluorophores, qui changent la couleur de la luminescence. C’est le cas de la méduse Aequora Victoria, qui contient un fluorophore connu sous le nom de protéine fluorescente verte (GFP).Cette GFP absorbe la lumière bleue émise par la réaction initiale, et la réemet sous forme de lumière verte. Donc la dite méduse produit une bioluminescence verte.

Table 2. Les couleurs de auelques luciférines

Luciférine	Maximum de luminescence	Couleur approchéew1
Ver luisant	560 (at pH=7.1)	Vert
	615 (at pH=5.4)	Orange
Luciférine bactérielle	490	Turquoise
Luciférine de flagellé	474	Bleu
Coelenterazine	450-480 as an anion	Bleu-vert
	400 in the –COOH form	Violet

Ce système de bioluminescence a trouvé récemment un usage en biologie : le gène qui encode la GFP est maintenant utilisé comme “etiquette” génétique pour tracer une protéine spécifique et révèler les gènes qu’elle exprime. Comme la GFP émet dans le vert sous éclairage bleu ou UV, elle est très facile à détecter (voir Furtado, 2009). Ce travail a valu le Prix Nobel de chimie 2008 à son auteur^w2.

Heureusement pour nous, il est facile d’effectuer en laboratoire les réactions chimiques qui causent la bioluminescence, comme on va le voir ci-dessous.

Une exérience d’étudiant : observer la bioluminescence

Dans cette activité, les étudiants peuvent observer une réaction qui émet de la lumière quand on mélange deux  réactifs. L’ingrédient principal est le luminol, une substance synthétique qui produit de la lumière bleue, quand elle réagit chimiquement. La lucifèrine et le luminol sont différents, mais le résultat visible est le même. malgré que le catalyseur soit le ferricyanure plutôt qu’un enzyme. Pour plus de details, voir Welsh, 2011.

L’étape finale de cette expérience doit être effectuée dans l’obscurité, pour mieux observer l’émission de lumière.

Matériel

• 1 g luminol (5-amino-2,3-dihydrophthalazine-1,4-dione)
• 50 ml solution d’hydroxide de sodium (NaOH) 10% en poids
• 50 ml solution de ferricyanure de potassium (K₃[Fe(CN)₆]) 3% en poids
• Environ 0.5 g ferricyanure de potassium (K₃[Fe(CN)₆])
• 3 ml peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) 30%
• Eau distillée
• Des béchers
• Un entonnoir
• Des cylindres gradués
• Un flacon

Mode opératoire

1. Dissoudre 1 g luminol dans un bécher contenant 450 mL eau distillée.
2. Ajouter 50 mL de solution de NaOH à 10%, et mélanger.
3. Verser 50 mL de la solution résultante dans un autre bécher et y ajouter 350 mL eau distillée. Cela donne la solution A.
4. Verser 50 mL de ferricyanure de potassium à 3% dans un 3ème bécher contenant 350 mL eau distillée et 3 mL de peroxyde d’hydrogène 30%. Cela donne la solution B.
5. Prélever des volumes égaux des solutions A et B dans 2 cylindres séparés.
6. Mettre un peu de ferrocyanure de potassium dans le flacon équipé d’un entonnoir.
7. Place le flacon dans l’obscurité.
8. Verser les solutions A et B en même temps dans le flacon. Observer.

La solution se met aussitôt à émettre une vive lumière bleue.

9. Elimination. Chauffer et évaporer la solution sous ventilation de manière à  réduire son volume au 1/8 de sa valeur initiale. Jeter le résidu dans le bidon des résidus de solutions métalliques.

Que s’est-il passé?

L’oxydation du luminol se produit en plusieurs étapes

1. Quand on prépare la solution A (étape 2), le luminol réagit avec la base OH^–.

2. Quand on prepare la solution B (étape 4), le peroxide d’hydrogène forme l’anion radicalaire superoxide O₂^–. Cette reaction est catalysée par l’ion hexacyanoferrate(III)
3. Quand on mélange les solutions A et B (étape 8), le luminol est oxydé en anion radicalaire par l’ion hexacyanoferrate(III)

L’oion hexacyanoferrate(III) joue ici à la fois le rôle de catalyseur pour la formation de l’ion radicalaire superoxide O₂^– et celui d’oxydant du luminol.  Le fer doit être present sous forme d’un complexe comme [Fe(CN)₆]^3-, afin de prévenir la formation d’un précipité Fe(OH)₃ en milieu fortement basique.

4. L’anion radicalaire luminol réagit alors avec l’anion radicalaire superoxyde O₂^–:

   

5. Le composé résultant est instable et se décompose en azote et une forme excitée de l’ion aminophtalate:

   

6. La forme excitée se désexcite ensuite en une forme stable, et la différence d’énergie est émise sous forme de lumière.

   

Questions pour une discussion

• D’où vient l’énergie émise sous forme de lumière dans la reaction du luminol?
• Quel est le rôle du ferricyanure de potassium ? Dans la bioluminescence, quelle substance joue ce role?
• Quelle substance joue le rôle d’oxydant dans la reaction du luminol ? Est-ce la meme que dans la nature?

Extensions possibles

Il existe beaucoup d’informations au sujet de la bioluminescence. Voir la section des ressources par exemple. Les élèves peuvent effectuer leurs propres recherches dans les domaines suivants:

• Emploi de la bnioluminescence dans la nature. Identifier quelques espèces pour qui l’adaptation à la bioluminescence est bénéfique, voire essentielle.
• Chimie de la bioluminescence. Découvrir quelques réactions naturelles de chimiluminsexence. En quoi ressemblent-elles à celle du luminol?
• Couleurs de la biuoluminescence. Comment ces couleurs sont-elles produites?
• Evolution de la bioluminescence.  Ce phénomène s’est-il produit souvent?
• Investigations criminelles. Illustrer comment le luminol est utilisé en police scientifique, et à l’aide de quelles réactions chimiques. Voir Welsh, 2011.

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