Il existe trois moyens de formation de cette lumière dite froide (on peux parler de lumière 'froide' car en effet moins de 20 % de l'énergie libérée par les réactions est transformée en chaleur) : par une réaction intracellulaire, par une réaction extracellulaire et par symbiose de bactéries lumineuses .



Une réaction intracellulaire.


Les organes responsables d'émissions lumineuses sont les 'photophores'. Ces cellules sont composées d'un réflecteur, de cellules très élaborées formant des couches pigmentaires, de cellules glandulaires et des bâtonnets qui orientent la lumière vers une grosse cellule unique qui joue le rôle de cristallin. La réaction enzymatique qui libère les photons se produit à partir des cellules glandulaires.
Exemple: Euphausiacés, Protozoaires, certaines Méduses (Aequora)et surtout calamars comme le Taningia géant représenté ci dessous :

La symbiose de bactéries luminescentes.


La symbiose est une association durable entre deux (ou parfois plus) organismes différents. Les organismes sont qualifiés de symbiotes, le plus gros peut être nommé hôte (dût au fait qu'il 'accueille' en son sein l'autre ou les autres organisme). Ce type de Bioluminescence est en quelque sorte comparable à la Bioluminescence Intracellulaire.
Dans ce cas de Luminescence, les symbiotes sont des bactéries luminescentes contenues dans les photophores, des petites vésicules (ou plus simplement, de petites 'poches'), placé sur le corps des animaux a différents endroits, et souvent arboré de lentille reflectrisse, ou d'écran (plaque de guanines). Ces bactéries luminescentes peuvent se concentré et ainsi dégagé une lumière froide grâce a leur fusion. Rappelons le, cette lumière est dite froide, car moins de 20% de l'énergie libérée est sous forme de chaleur.
Certaines espèces produisent de la lumière continue dont l'intensité peut être neutralisée ou modulée au moyen de structures nerveuses. En effet, le photophore est relié par terminaison nerveuse au système nerveux de l'animal, ce qui lui permet de moduler des écrans, ou des lentilles réflectisses. L'animal peut donc contrôler l'intensité lumineuse, sa direction, et même dans certain cas, sa couleur !
Ce phénomène est uniquement connu chez les animaux marins comme les cténophores (organisme abyssaux proche de la méduse), les cnidaires (corail, méduse), les vers, les mollusques, les échinodermes (oursins, étoile de mer) et les poissons. C'est le type de bioluminescence le plus utilisé du règne animal.

De rares espèces de poissons adoptent le même principe de Bioluminescence, mais sans présence de photophore. En effet, chez le Anomalopidae se trouve sous ses deux yeux une cavité ovale remplis de petit 'tubes' dans lesquels circulent du sang, et c'est dans ce sang que se trouve les bactéries luminescentes, a défaut de photophore pour les stockée. La structure est donc différente, mais le principe est le même étant donné que les bactéries fusionnent dans le sang afin de créer une lumière froide.

Ici un Anomalopidae .

Une réaction extra-cellulaire.



Vers le milieu du 20 ème siècle le biochimiste Américain William D McElroy (22 Janvier 1917 - 17 Février 1999) réalise une étude sur des milliers de vers luisants ramassés près de Baltimore et réussi à identifier les principaux composés biochimiques impliqués dans l’émission de lumière de la luciole: la luciférase (un catalyseur) et la luciférine (un substrat). Ainsi grâce aux découvertes scientifiques qui suivirent nous pouvons affirmer que cette réaction est une oxydation de la luciférine ainsi que de la luciférase. Cela entraîne la mutation de la luciférine en oxyluciférine excitée qui est énergiquement instable. L’émission de photons produisant la lumière à lieu lors du retour de l’oxyluciférine à l’état stable, Une fois achevée, la réaction est le plus souvent entreposée sous la peau de l’animal d’où la lumière se propage.

En haut la représentation tridimentionnelle d'une luciférine et en bas la représentation de Cram .


Ce phénomène n’est pas spécifique aux lucioles mais s’étend aussi à quelques espèces de crustacés et aux céphalopodes abyssaux et nécessite la présence d’ATP (Adénosine Triphosphate ) , une molécule qui par hydrolyse fournit l'énergie nécessaire aux réactions chimiques du métabolisme . Pour résumer cette bioluminescence extracellulaire se déroule en 3 étapes clés :
1 – L’ATP se lie avec la luciférine après avoir été au préalable lié avec l’ion magnésium Mg²+. Le Mg ATP sert en fait de support à l’enzyme, la luciférase.
2 – C’est alors que la luciférine réagit avec la luciférase, il en découle une forme intermédiaire, la luciférine adénylate. À ce moment l’oxygène intervient dans la réaction et forme l’oxyluciférine (Luciférine adénylate + O2).
3 – À ce stade, la molécule est électroniquement excitée, et c’est son retour à l’état stable qui s’accompagne de l’émission de lumière grâce aux photons et à l’émission de CO2. Suite à cela l’enzyme se détache pour aller catalyser une autre réaction.