par Ferris Jabr | 26 mai 2016

Et la lumière fut

À la fin des années 1990, le biolo­­giste marin Steven Haddock rendit visite à son confrère Osamu Shimo­­mura dans son labo­­ra­­toire de Woods Hole, dans le Massa­­chu­­setts. Ces deux cher­­cheurs respec­­tés avaient en commun une obses­­sion pour la biolu­­mi­­nes­­cence : de la lumière produite par une série de réac­­tions chimiques dans le corps de créa­­tures vivantes. Les plus célèbres d’entre elles sont les lucioles, mais c’est une faculté dont sont aussi dotés certains cham­­pi­­gnons ainsi qu’une multi­­tude de créa­­tures de l’océan. Haddock se souvient qu’à un moment de leur rencontre, Shimo­­mura versa au creux de sa main de ce qui ressem­­blait à de grosses graines de sésame, qu’il conser­­vait dans un bocal. Il les asper­­gea d’eau avant de les écra­­ser dans son poing pour en faire de la pâte, puis il étei­­gnit la lumière. Soudain, sa paume se mit à luire d’un bleu lumi­­nes­cent, comme s’il tenait une fée au creux de sa main. Les graines de sésame étaient en réalité les corps séchés de petits crus­­ta­­cés appe­­lés ostra­­codes. Shimo­­mura lui raconta que pendant la Seconde Guerre mondiale, l’ar­­mée japo­­naise récol­­tait un nombre incroyable de ces créa­­tures au fond de l’océan. La lumière bleue et froide des umiho­­taru (les lucioles de mer) était suffi­­sam­­ment vive pour que les soldats puissent lire des cartes et des rapports, mais trop faible pour révé­­ler leur posi­­tion aux enne­­mis à proxi­­mité. « C’était une source de lumière très simple à se procu­­rer », explique Shimo­­mura, âgé aujourd’­­hui de 87 ans. « Il suffit d’ajou­­ter de l’eau. C’est très pratique et pas besoin de piles. » Lorsque Haddock lui rendit visite, le planc­­ton dessé­­ché était vieux de plusieurs décen­­nies, mais les créa­­tures avaient encore le pouvoir de briller.

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Un ostra­­code
Crédits : blick­­win­­kel

Haddock était si émer­­veillé par cette histoire qu’il demanda à Shimo­­mura s’il pouvait prendre une petite portion des ostra­­codes pour les étudier dans son labo­­ra­­toire de l’Ins­­ti­­tut de recherche de l’aqua­­rium de Monte­­rey Bay, en Cali­­for­­nie. Il les conserve là-bas dans un bocal pas plus large qu’un pot à épices, qu’il ouvre rare­­ment. « Je n’ai seule­­ment testé que cinq ou six fois », dit-il. Mais si vous avez de la chance et qu’il est de bonne humeur, le cher­­cheur pren­­dra sa lampe merveilleuse sur l’éta­­gère pour vous montrer son éclat irréel.

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Que trou­­vons-nous de si fasci­­nant à la biolu­­mi­­nes­­cence ? Après tout, nous sommes entou­­rés de lumière. Chaque matin, un immense bol lumi­­neux s’in­­cline au-dessus des arbres et des toits, des oiseaux et des montagnes, pour déver­­ser son nectar doré. La lumière du soleil s’étend sur les conti­­nents et les océans, s’écou­­lant le long des cano­­pées, remplis­­sant déserts et vallées ; elle inonde en silence les fermes et les villes ; elle pénètre dans nos chambres, s’in­­si­­nue sous notre peau, et baigne nos yeux pour éclai­­rer le théâtre de notre esprit. Et malgré tout, nous donnons l’im­­pres­­sion de ne jamais en avoir assez, ou de nous sentir suffi­­sam­­ment proche d’elle. À travers le temps, de nombreuses cultures contèrent les histoires d’êtres entou­­rés de halos de lumière : des dieux, des anges, des fées, des saints et des djinns. Être infusé de lumière est la marque du divin ou du surna­­tu­­rel, préci­­sé­­ment parce que cela nous est impos­­sible. Ne pouvant pas convoquer la lumière de l’in­­té­­rieur, nous avons trouvé d’autres moyens de la géné­­rer et de la contrô­­ler, pour la garder auprès de nous même en l’ab­­sence du Soleil : nous avons dompté le feu et cana­­lisé l’élec­­tri­­cité ; nous avons appris à jeter des bombes de couleur contre le voile de la nuit, et à parer nos toits de morceaux d’arc-en-ciel ; nous avons inventé de puis­­sants phares dont l’œil flam­­boyant peut être invoqué en pres­­sant simple­­ment un inter­­­rup­­teur, et nous avons érigé des piliers éclai­­rants le long de nos rues.

De nos jours, des gens se font implan­­ter des LED sous la peau pour rétroé­­clai­­rer leurs tatouages – ou bien juste parce que c’est possible. Mais ce ne sont que des faux-semblants. En dépit de notre astuce tech­­no­­lo­­gique, nous n’avons jamais tout à fait rattrapé l’os­­tra­­code ou la luciole. Nous ne pouvons pas égaler leur maîtrise intui­­tive de l’illu­­mi­­na­­tion. La lumière est tissée à même leur biolo­­gie d’une façon qui nous est incon­­nue. « Qu’un orga­­nisme émette de la lumière, beau­­coup de lumière, s’ap­­pa­­rente pour nous à un super-pouvoir », dit Haddock.

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Motyxia est un genre de mille-pattes biolu­­mi­­nes­­cents
Crédits : Eden Pictures

La piste de lumière

Ce pouvoir, il nous est impos­­sible de ne pas exploi­­ter. Depuis des millé­­naires, les êtres humains conçoivent des appli­­ca­­tions ingé­­nieuses pour la biolu­­mi­­nes­­cence, dont un grand nombre ne sont plus connues aujourd’­­hui. Le natu­­ra­­liste et philo­­sophe romain Pline l’An­­cien écri­­vit qu’il était possible de badi­­geon­­ner un bâton de marche des sécré­­tions d’une certaine méduse lumi­­neuse – peut-être s’agis­­sait-il de Pela­­gia nocti­­luca – pour qu’il servît égale­­ment de torche. À la fin du XVIIe siècle, le physi­­cien Georg Eberhard Rumphius raconta que les peuples indi­­gènes d’In­­do­­né­­sie utili­­saient des cham­­pi­­gnons biolu­­mi­­nes­­cents comme des lampes-torches dans la forêt. Et avant le XIXe siècle, les mineurs de char­­bon remplis­­saient des pots de lucioles et d’une peau de pois­­son séchée inves­­tie par une bacté­­rie biolu­­mi­­nes­­cente pour leur servir de lanternes – les lampes de sécu­­rité n’avaient pas encore été inven­­tées et porter une flamme nue dans une mine risquait d’en­­flam­­mer des gaz explo­­sifs. Il fallut bien plus de temps aux hommes pour trou­­ver des usages aux ostra­­codes ainsi qu’à d’autres petites créa­­tures marines, pour la bonne et simple raison que pendant la majeure partie de notre histoire, personne n’avait la moindre idée de leur exis­­tence.

Les premiers explo­­ra­­teurs restèrent inter­­­dits devant les bandes et les taches de lumière froide qui entou­­raient leurs bateaux la nuit venue, aussi bien que devant les vagues lumi­­neuses et certaines régions de la mer où l’eau brillait de mille feux – on les appe­­lait les « mers lactées ». Les premières tenta­­tives d’ex­­pliquer ces phéno­­mènes étaient souvent plus proches de la poésie que de la science. Pour beau­­coup, la lumière était compa­­rable à du feu, bien qu’elle se trou­­vât sous l’eau. Dans le Hai Nei Shih Chou Chi, un texte chinois datant du IVe ou Ve siècle av. J.-C. racon­­tant des aven­­tures nautiques, on peut lire qu’ « il est fréquent d’aper­­ce­­voir des étin­­celles ardentes quand la mer est agitée ». De la même manière, au XVIIe siècle, René Descartes compa­­rait la lumière obser­­vée dans les mers agitées aux étin­­celles produites par un silex. Durant un voyage vers Siam en 1688, le mission­­naire jésuite et mathé­­ma­­ti­­cien Guy Tachard écri­­vit que le Soleil avait visi­­ble­­ment « impré­­gné et rempli la mer durant la jour­­née d’une infi­­nité d’es­­prits ardents et lumi­­neux ».

En 1753, Benja­­min Frank­­lin supposa qu’une sorte d’ « animal­­cule extrê­­me­­ment petit » pouvait émettre « une lumière visible », même dans l’eau. À la même époque, des natu­­ra­­listes comme Gode­­heu de Riville, équi­­pés des premiers micro­­scopes, confir­­mèrent que l’in­­tui­­tion de Frank­­lin était la bonne : les scin­­tille­­ments et les lueurs de l’océan émanaient de créa­­tures vivantes, de minus­­cules « insectes marins » que nous appe­­lons désor­­mais planc­­ton. Au début du XXe siècle, le planc­­ton biolu­­mi­­nes­cent n’était plus un mystère pour nous : les créa­­tures étaient inten­­sé­­ment étudiées par certaines des plus puis­­santes forces mili­­taires du monde, alors qu’elles étaient malgré elles prises dans les feux de la guerre des hommes. Quand des navires et d’autres vais­­seaux passaient auprès d’un vaste groupe de planc­­ton biolu­­mi­­nes­cent, des ondu­­la­­tions et des nuages de lumière bleus et verts se formaient sur leurs flancs et dans leur sillage. Ces projec­­teurs invo­­lon­­taires se révé­­lèrent problé­­ma­­tiques pour la marine, surtout quand la discré­­tion était de mise. En 1918, durant la Première Guerre mondiale, un navire britan­­nique coula un U-Boot alle­­mand depuis la côte espa­­gnole après avoir repéré sa nimbe lumi­­neuse. Pendant la Seconde Guerre mondiale et la guerre froide, les marines du monde entier étudiaient comment traquer des sous-marins et des torpilles grâce à la biolu­­mi­­nes­­cence. La marine améri­­caine conti­­nue ses recherches encore aujourd’­­hui : elle travaille au déve­­lop­­pe­­ment d’un robot aqua­­tique capable de mesu­­rer la biolu­­mi­­nes­­cence, de façon à détec­­ter les enne­­mis ainsi que  d’em­­pê­­cher sa détec­­tion poten­­tielle.

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Une grotte de Nouvelle-Zélande
Crédits : Joseph Michael

Et en 1954, la biolu­­mi­­nes­­cence de l’océan sauva la vie d’un mili­­taire – et pas n’im­­porte lequel. À l’époque, le futur astro­­naute d’Apollo 13 James Lovell était pilote de chasse. Il avait embarqué pour une mission d’en­­traî­­ne­­ment au large des côtes japo­­naises par un ciel orageux, quand le tableau de bord de son cock­­pit fut court-circuité. Toutes ses lumières et ses voyants s’étei­­gnirent. Il ne pouvait plus comp­­ter sur la tech­­no­­lo­­gie pour lui indiquer la direc­­tion du porte-avions. Scru­­tant les ténèbres, il remarqua une traî­­née verte scin­­tillante dans la mer, et ne tarda pas à réali­­ser qu’il s’agis­­sait du sillage biolu­­mi­­nes­cent du vais­­seau. Il se servit de cette piste de lumière vivante comme d’un guide et parvint à atter­­rir sans encombre.

Luci­­fé­­rine

L’an­­née suivante, Shimo­­mura commença ses recherches sur la biolu­­mi­­nes­­cence – elles allaient révo­­lu­­tion­­ner le champ de la biolo­­gie. En 1955, Shimo­­mura rejoi­­gnit le labo­­ra­­toire de Yoshi­­masa Hirata à l’uni­­ver­­sité de Nagoya, où il fut chargé d’ex­­traire la luci­­fé­­rine des ostra­­codes et de déter­­mi­­ner sa compo­­si­­tion molé­­cu­­laire précise. Aujourd’­­hui, les scien­­ti­­fiques savent que dans de nombreux orga­­nismes biolu­­mi­­nes­­cents, un enzyme appelé luci­­fé­­rase cata­­lyse une réac­­tion chimique entre la luci­­fé­­rine et l’oxy­­gène qui produit de la lumière. Mais à l’époque, « nous ne compre­­nions pas exac­­te­­ment ce qu’il se passait », raconte Shimo­­mura. « C’était un mystère. » Après dix mois de travail dans le labo­­ra­­toire, Shimo­­mura devint la première personne à cris­­tal­­li­­ser de la luci­­fé­­rine, une étape essen­­tielle dans l’étude de sa struc­­ture.

Dans les années 1960, il conti­­nua ses recherches à l’uni­­ver­­sité de Prin­­ce­­ton, où il commença égale­­ment à enquê­­ter sur la méduse lumi­­neuse Aequo­­rea victo­­ria. Shimo­­mura et ses collègues collec­­tèrent de nombreux spéci­­mens d’A. victo­­ria et les égout­­tèrent comme des pommes à cidre pour obte­­nir une petite quan­­tité de pur « jus de presse » lumi­­neux. Dans le liquide, ils décou­­vrirent une protéine qu’ils bapti­­sèrent aequo­­rine, et qui émet de la lumière bleue au contact du calcium, même en l’ab­­sence d’oxy­­gène. Une autre protéine de la méduse, la protéine fluo­­res­­cente verte (GFP), absorbe quelque­­fois cette lumière bleue et émet en réponse de la lumière verte.

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Le prix Nobel de chimie Osamu Shimo­­mura
Crédits : Kyodo

En 1978, après avoir collecté près d’un million de méduses, Shimo­­mura avait entiè­­re­­ment élucidé la struc­­ture de l’aequo­­rine et la nature des réac­­tions géné­­ra­­trices de lumière uniques de l’A. victo­­ria. L’aequo­­rine et la GFP – ainsi que le code géné­­tique de cette dernière – étaient deve­­nues des outils indis­­pen­­sables à la biolo­­gie et à la méde­­cine. Les scien­­ti­­fiques pouvaient à présent étique­­ter et obser­­ver les danses complexes de gènes et de protéines aupa­­ra­­vant invi­­sibles au sein des cellules vivantes.

En 2008, aux côtés de Martin Chal­­fie de l’uni­­ver­­sité de Colum­­bia et de Roger Tsien de l’uni­­ver­­sité de Cali­­for­­nie à San Diego, Shimo­­mura reçut le prix Nobel de chimie pour son travail sur la GFP. Tout récem­­ment, la biolu­­mi­­nes­­cence est passée du stade d’ou­­til de labo­­ra­­toire à celui de joujou commer­­cial. Le Glowing Plant Project, basé à San Fran­­cisco et financé via Kicks­­tar­­ter, propose à ses clients des kits permet­­tant de modi­­fier géné­­tique­­ment une plante Arabi­­dop­­sis à la maison. Et BioPop, une société basée à Carls­­bad, en Cali­­for­­nie, fabrique une version lumi­­nes­­cente d’un jouet pour enfants très demandé aux États-Unis. Ils l’ont appelé Dino Pet – un petit aqua­­rium dont la forme rappelle vague­­ment celle d’un apato­­saure, rempli de planc­­ton biolu­­mi­­nes­cent appelé dino­­fla­­gel­­lés. Durant la jour­­née, le planc­­ton photo­­syn­­thé­­tise ; la nuit, si vous étei­­gnez la lumière et secouez l’aqua­­rium, les dino­­fla­­gel­­lés émettent une lumière turquoise, rappe­­lant les « étin­­celles ardentes » que les marins chinois avaient observé sur des mers agitées, il y a plus de deux millé­­naires. Mais la lumière ne fonc­­tionne que trois fois par nuit, et si vous secouez trop fort, vous risquez d’en­­dom­­ma­­ger ou de tuer le planc­­ton. Il est aisé de prendre en pitié ces petites étoiles aqua­­tiques prises au piège dans une bulle de plas­­tique.

Toutes les nuits, la main d’un titan s’em­­pare de leur océan et y sème le chaos pour quelques instants de plai­­sir égoïste. Puis le monstre jette leur univers tout entier dans un coin, comme s’il refer­­mait le couvercle d’une boîte à musique. Il les retient vivantes unique­­ment pour qu’elles exécutent leur petit tour de magie avant qu’il n’aille au lit. Mais peut-être qu’en fin de compte, nous sommes l’élé­­ment le plus pathé­­tique de cette rela­­tion : des dieux envoû­­tés par un mouche­­ron. Mettre en bouteille la biolu­­mi­­nes­­cence nous donne l’im­­pres­­sion de possé­­der un phéno­­mène appa­­rem­­ment rare et hors du commun. Mais la réalité est toute autre. La biolu­­mi­­nes­­cence est une chose si répan­­due sur notre planète – parti­­cu­­liè­­re­­ment dans les océans – que les scien­­ti­­fiques estiment que les milliers d’es­­pèces lumi­­nes­­centes qu’ils ont décou­­vertes jusqu’ici ne repré­­sentent qu’une frac­­tion d’entre elles. Il est possible que la vaste majo­­rité des créa­­tures vivant dans les profon­­deurs de la mer, au-delà de la portée du soleil, génèrent leur propre lumière (quelque­­fois avec l’as­­sis­­tance de microbes). Elles utilisent ces scin­­tille­­ments inté­­rieurs avant tout pour commu­­niquer : pour aver­­tir et effrayer, se cacher et chas­­ser, leur­­rer et séduire. La biolu­­mi­­nes­­cence est un des langages les plus anciens et les plus répan­­dus sur Terre – un langage dont nous igno­­rons à peu près tout. En dépit de nos fantai­­sies et de nos mytho­­lo­­gies, la vérité est qu’il n’y a rien de surna­­tu­­rel à propos de la lumière vivante. Elle fait partie de la nature depuis des âges loin­­tains. Nous sommes seule­­ment dénués de ce don parti­­cu­­lier. Ainsi, nous avons adapté les talents incom­­pa­­rables des créa­­tures lumi­­nes­­centes à nos propres usages. Nous leur avons emprunté leur lumière pour révé­­ler des choses à propos de notre propre biolo­­gie que nous n’au­­rions peut-être jamais décou­­vertes autre­­ment. Mais c’est tout ce que nous pouvons faire : emprun­­ter. Nous ne pouvons pas être comme elles, aussi nous les pour­­chas­­sons et les atti­­rons vers nous, tout aussi fasci­­nés qu’à l’époque où nous pensions que le Soleil avait impré­­gné la mer. Et jusqu’à ce jour, nous les recueillons dans nos mains, les conser­­vons dans des pots et les plaçons sur nos tables de nuit, essayant depuis toujours de satis­­faire notre appé­­tit promé­­théen.

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Un pois­­son cardi­­nal recrache un ostra­­code
Crédits : Nature Picture Library

Traduit de l’an­­glais par Nico­­las Prouillac « The Secret History of Biolu­­mi­­nes­­cence », paru dans Hakai Maga­­zine. Couver­­ture : Une méduse Pela­­gia nocti­­luca. (David Flee­­tham/Anima­­tion par Ulyces)


CETTE MÉDUSE DÉTIENT-ELLE LE SECRET DE LA VIE ÉTERNELLE ?

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Le docteur Shin Kubota étudie Turri­­top­­sis dohr­­nii depuis quinze ans. Cette méduse détien­­drait le secret de la vie éter­­nelle.

Après plus de 4 000 ans – presque depuis l’aube de l’his­­toire, quand Uta-Napi­­sh­­tim révéla à Gilga­­mesh que le secret de l’im­­mor­­ta­­lité était contenu dans un corail trouvé au fond de l’océan –, l’homme a fina­­le­­ment décou­­vert la vie éter­­nelle en 1988. Et en effet, il l’a trou­­vée au fond de l’océan. La décou­­verte fut faite invo­­lon­­tai­­re­­ment par Chris­­tian Sommer, un étudiant en biolo­­gie marine alle­­mand âgé d’à peine plus de vingt ans. Il passait l’été à Rapallo, une petite ville de la Riviera italienne, où Nietzsche écri­­vit exac­­te­­ment un siècle plus tôt Ainsi parlait Zara­­thous­­tra : « Tout va, tout revient, la roue de l’exis­­tence tourne éter­­nel­­le­­ment. Tout meurt, tout refleu­­rit, le cycle de l’exis­­tence se pour­­suit éter­­nel­­le­­ment… » Sommer faisait des recherches sur les hydro­­zoaires, de petits inver­­té­­brés qui, suivant l’étape de leur cycle de vie, ressemblent soit à une méduse, soit à un corail mou. Chaque matin, Sommer allait plon­­ger dans l’eau turquoise qui borde les falaises de Porto­­fino. Il scru­­tait le plan­­cher océa­­nique à la recherche d’hy­­dro­­zoaires, les ramas­­sant au moyen de filets à planc­­ton. Parmi les centaines d’or­­ga­­nismes ainsi collec­­tés figu­­rait le repré­­sen­­tant minus­­cule d’une espèce rela­­ti­­ve­­ment obscure pour les biolo­­gistes, bapti­­sée Turri­­top­­sis dohr­­nii. Aujourd’­­hui, elle est plus large­­ment connue sous le nom de méduse immor­­telle. Sommer conser­­vait ses hydro­­zoaires dans des boîtes de Pétri et obser­­vait leurs habi­­tudes de repro­­duc­­tion. Quelques jours plus tard, il remarqua que Turri­­top­­sis dohr­­nii se compor­­tait d’une façon éton­­nante qu’il ne parve­­nait à expliquer en aucune manière. Pour le dire clai­­re­­ment, elle refu­­sait de mourir. Elle semblait inver­­ser son proces­­sus de vieillis­­se­­ment, deve­­nant de plus en plus jeune jusqu’à atteindre son stade de déve­­lop­­pe­­ment le plus primi­­tif, à partir duquel elle recom­­mençait alors un nouveau cycle de vie.

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