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La Bioluminescence en Milieu Marin Anne-Sophie Cussatlegras (1) Patrice Le Gal (2) (1)DIMAR, UMR 6540 CNRS-Université de la Méditerranée, COM, Luminy,

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1 La Bioluminescence en Milieu Marin Anne-Sophie Cussatlegras (1) Patrice Le Gal (2) (1)DIMAR, UMR 6540 CNRS-Université de la Méditerranée, COM, Luminy, Case 901, Marseille cedex 9 (2) IRPHE, UMR 6594 CNRS - Universités dAix-Marseille I &II, 49 Rue F. Joliot-Curie, BP Marseille Cedex 13, France

2 Sommaire 1. La bioluminescence 2.Organismes et rôle de la bioluminescence 3. Applications

3 La Luminescence - Lumière = forme dénergie qui peut apparaître par incandescence ou par luminescence Excitation délectronsÉmission de photons Luminescence = lumière froide ChaleurRéaction chimique

4 Luminescence Phosphorescence Fluorescence Bioluminescence Absorption puis ré-émission de lumière à une longueur donde différente Production de lumière par un organisme vivant luciole minéraux phosphorescents noctiluque corail fluorescent

5 Réaction chimique

6 Systèmes lumineux Aequorea aequorea In F. G. Prendergast, Nature, 2000 Chez les dinoflagellés : la luciférine à une structure moléculaire proche de celle de la chlorophylle Wu, 2002

7 2. Organismes et rôle de la bioluminescence

8 Organismes Bacteria Dinoflagellates (algues unicellulaires) Radiolarians (organismes unicellulaires) Cnidaria (méduses) Ctenophores (plancton gélatineux) Nemertean worms Mollusca Nudibranchs (a few) Clams (few) Squid (lots) Octopods (few) Annelid worms (lots) Polychaetes Earthworms Crustaceans Copepods Ostracods Amphipods Decapod shrimp Euphausiids (krill) Chaetognaths (arrow-worms; 1 species) Echinoderms Sea stars Brittle stars Sea cucumbers Hemichordate worms Urochordates Pyrosomes Tunicate (one) Larvaceans Chordates Sharks (some) Fish (lots) Centipedes Millipedes Insects Fireflies Beetles Fungus Collembola Railroad worms (Il ny a pas de « plantes à fleurs » lumineuses, ni reptiles, amphibiens ou mammifères)

9 Le Plancton Plancton Zooplancton (ex:copépodes) Phytoplancton Dinoflagellés Photographies au microscope électronique Océan taille ~ 30 m et 1 mm Définition : « organismes en suspension dans la mer »

10 Culture de Vibrio harveyi dans une boite de Pétri Bactéries Organismes lumineux

11 Pyrocystis fusiformis (remarquez les scintillons) Phytoplancton : Dinoflagellés Noctiluca scintillans Organismes lumineux Kayak dans la Baie luminescente de Porto Rico

12 Tomopteris nisseni Zooplancton Radiolaires (colonie, diam. 1,2 cm) Organismes lumineux Tuscaridium cygneum

13 Tomopteris nisseni Cnidaires Periphylla periphylla Scyphozoaires Organismes lumineux (Méduses, plancton gélatineux)

14 Organismes lumineux Deiopea sp. Thalassocalyce inconstans Cténaires Beroe forskalii (~10 cm) Organismes gélatineux, taille de qqs cm à 1m

15 Organismes lumineux Mollusques Pholas dactylus ou datte de mer - 8 à 12 cm Phylliroe sp. La tête est à gauche ! Taille 7 cm Céphalopodes : Vampyroteuthis infernalis Cranchia sp.

16 Tomopteris nisseni Organismes lumineux Tomopteris sp. Annélides Polychètes (Seuls organismes à émettre une lumière jaune)

17 Crustaces Organismes lumineux Ostracodes Gigantocypris agassizii Copépodes Gaussia princeps (Qqs mm en général)

18 Crustacés Euphausia pacifica Euphausiacés Organismes lumineux

19 Chaetognathes Caocosagitta macrocephala Organismes lumineux Colonie de salpes (Taille de qqs. Mm) Tuniciers Pyrosoma tuberculata

20 Organismes lumineux Poissons Myctophides (Poissons-lanterne) Poisson-hache ~3 cm

21 Tomopteris nisseni Organismes lumineux

22 Stimulation Émission spontanée Stimulation mécanique (brassage de leau) ressentie par la membrane cellulaire Contrôle par voie nerveuse bactérie dinoflagellé copépode

23 Organes lumineux Scintillons (0.5 µm, dinoflagellés) Cellules sécrétrices (crustacés, certains poissons) Glandes lumineuses caudales sur un copépode Photocytes (méduses, cténophores..)

24 Organes lumineux Photophores (euphausiacés, pieuvres, poissons..) Disposition des photophores chez les euphausiacés : 2 sur les pédoncules oculaires (non visible sur cette photo), 3 paires sur le thorax, 4 sur labdomen. Dessin dun photophore de pieuvre Abralia trigonura (Modifié de Young, R. E. and J. M. Arnold Malacologia)

25 Organes lumineux Organes lumineux contenant des bactéries (poissons et céphalopodes) intracellulaires ou symbiotiques, regroupées dans un organe ceratioid anglerfish black dragonfish

26 Rôle de la bioluminescence Séchapper (aveugler le prédateur) Se camoufler (contre illumination) Décharges lumineuses chez Euaugaptilus magnus,

27 Rôle de la bioluminescence Communiquer Ex: parades sexuelles chez les ostracodes Se nourrir (leurre)

28 Caractéristiques physiques Différents spectres démission Différentes cinétiques Couleur : spectre d'émission dans le bleu-vert (450 à 520 nm) Durée : 100 ms à plusieurs secondes Intensité : variable selon les organismes

29 3. Applications de la bioluminescence

30 Applications La luciférase de la luciole est depuis longtemps utilisée pour détecter lATP Toute substance requise dans la réaction avec la luciférase peut être détectée: O 2, aldéhyde, Ca ++ etc.. Intérêt : Le produit de la réaction étant de la lumière, il peut être mesuré instantanément et avec une grande sensibilité pour un faible coût En génétique, le gène qui code pour la luciférase est très utilisé pour mesurer lexpression dautres gènes auxquels on « colle » le gène de la luciférase La bioluminescence est largement utilisée en recherche, en industrie et en laboratoires cliniques

31 Application en mécanique des fluides Relation entre le degré de cisaillement et lintensité de la lumière émise Intensité lumineuse Cisaillement Type de loi ? Seuil ? Objectif : Étudier différents types découlements à laide de dinoflagellés lumineux Anne-Sophie Cussatlegras (1) Patrice Le Gal (2) (1)DIMAR, UMR 6540 CNRS-Université de la Méditerranée, COM, Luminy, Case 901, Marseille cedex 9 (2)IRPHE, UMR 6594 CNRS - Universités dAix-Marseille I &II, 49 Rue F. Joliot-Curie, BP Marseille Cedex 13, France Pyrocystis lunula ( 500 µm) ( 300 µm) Pyrocystis noctiluca

32 Cultures Salle de culture Dinoflagellés F/2 milieu de culture F/2 (eau de mer + sel) Cycle Jour/ nuit 12:12 20°C

33 Salle de mesure Caméra intensifiée Dispositif expérimental (Couette cylindrique) Photomultiplicateur

34 . Écoulement de Couette : écoulement crée entre deux cylindres coaxiaux ; seul le cylindre extérieur tourne. Cest un écoulement connu en mécanique des fluides applications dans plusieurs domaines biologiques cisaillement constant dans tout le volume cisaillement proportionnel à la vitesse de rotation Latz et al : utilisation dun appareil de Couette Cylindre extérieur qui tourne (verre transparent) Cavité (culture dalgues) Cylindre intérieur fixe Écoulement laminaire et stationnaire stimule la bioluminescence Couette cylindrique

35 Résultats Déclenchement de la turbulence

36 O 70 rps² + 35 rps² X 17 rps² * 9 rps² 4 accélérations : Time (s) Light emission (10 6 ph.s -1.cell -1 ) max Démarrages abrupts du cylindre extérieur pour 4 accélérations : Pyrocystis lunula Pic démission Cisaillement constant: pas démission après 1s Écoulement cisaillé et accéléré Laccélération impose lamplitude (max) de la réponse lumineuse chez les dinoflagellés

37 Perspectives Étude du processus au niveau dune seule cellule Stimulation dune cellule unique Étude de la statistique de la réponse Déformation de la membrane Probabilité douverture dun canal mécano-récepteur (Morris, 1990)

38 Baie bioluminescente de Porto Rico


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