Dans l'immensité océanique, passé 100 mètres de profondeur, le froid et l’obscurité règnent en maîtres absolus. Les distances sont infinies. Dans ce milieu hostile où la lumière du soleil s'éteint dès les premiers centaines de mètres, certains poissons ont développé une capacité extraordinaire : produire leur propre clarté. Loin d'être un simple phénomène spectaculaire, la bioluminescence structure la vie des grands fonds, conditionne les stratégies de chasse, de fuite et de reproduction, et révèle une biodiversité encore largement méconnue. Le peuple des abysses, des créatures aux formes étranges défiant l’imaginaire, y parvient au moyen de cette lumière, pour se nourrir, repousser un prédateur ou se reproduire.
La Vie dans les Abysses : Un Monde d'Extrêmes
Les poissons des abysses vivent dans des conditions extrêmes, caractérisées par une obscurité presque totale, un froid glacial, une nourriture qui se fait rare et une pression écrasante. À -1000 mètres, la pression est 100 fois supérieure à ce qui existe à la surface de la planète. Pour résister à une telle pression sans être écrasés, les poissons abyssaux sont mous de partout avec des tissus liquides et gélatineux, des muscles mous, des os spongieux, et bien d’autres adaptations physiologiques. Ces ajustements anatomiques et physiologiques leur permettent la survie sous des pressions, des températures et des disponibilités alimentaires extrêmes. Le célèbre « blobfish » illustre ce principe : hors de son milieu, il se déforme, mais in situ il conserve une forme fonctionnelle. Généralement, ils sont lents et moins agiles, et vivent au ralenti, leur métabolisme étant ralenti. Les poissons à métabolisme ralenti peuvent survivre sur des apports énergétiques limités, parfois en alternant périodes actives et torpeur, ce qui favorise également leur longévité.
Pour se nourrir et survivre, pas question de passer à côté de la moindre proie ; il faut être un chasseur redoutable. C'est pour cela qu'ils ont des particularités impressionnantes, et beaucoup d’entre eux semblent tout droit sortis d’un film de science-fiction. Les estomacs élastiques du Chiasmodon niger, les mâchoires disproportionnées ou encore les crocs bien affûtés du poisson-ogre (qui, malgré ses 16 cm, possède des crochets si longs qu’ils se replient dans des cavités crâniennes) sont autant de solutions pour attraper une proie rare et opportuniste. Un aspect central tient à la résistance à la pression : les tissus sont généralement avant tout gélatineux, les organes hydriques plus dilués, rendant les structures moins susceptibles d’être écrasées. Bien que la plupart d'entre eux ne dépassent pas les 20 cm, la gamme de tailles dans les abysses défie les attentes, allant des géants marins comme le régalec ou le calmar colossal, à des espèces miniaturisées.
La Bioluminescence : Une Réponse Évolutive à l'Obscurité
Effectivement, ces poissons produisent et émettent de la lumière. On appelle ce phénomène la bioluminescence, qui leur permet de s’éclairer et d’attirer des proies voire parfois de se camoufler des prédateurs. La bioluminescence est la capacité pour certains organismes marins ou terrestres de produire et d'émettre leur propre lumière grâce à une réaction chimique. Elle joue un rôle clé dans la communication, la prédation et la défense entre les espèces. Cette capacité pour certains êtres vivants de produire de la lumière résulte d’une réaction chimique entre la luciférine, une molécule dont l’oxydation provoquée par la luciférase, un enzyme, produit de la lumière. Cette réaction libère de l'énergie sous forme de lumière froide, sans dégagement de chaleur. Chez les poissons, cette lumière est presque toujours bleue ou bleu verdâtre, car ces longueurs d’onde traversent l’eau de mer plus efficacement que les autres.
Au sein du monde océanique, loin d’être une exception, la bioluminescence est une stratégie largement répandue. On a pu voir en effet qu’entre 100 et 4000 mètres de profondeur, près de 75% des espèces de pleine eau de plus d’un centimètre émettent leur propre lumière. Ce chiffre avoisine 40% s’il s’agit d’organismes vivant sur le fond marin. Cette bioluminescence sert aussi d’outil de reconnaissance : les poissons peuvent ainsi trouver, se reconnaître et communiquer dans le noir avec des flashs, crépitements et autres lueurs. La bioluminescence est vraisemblablement un moyen de communication très efficace. Du point de vue écologique, la bioluminescence modifie les interactions prédateur-proie.
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La Baudroie des Abysses : Un Prédateur Lumineux et Singulier
Les baudroies des abysses forment une famille de poissons osseux (téléostéens) vivant sur les fonds meubles des profondeurs de l'océan jusqu’à 4 500 m. Elle ne comporte qu'un seul genre connu dont le nom signifie « monstre noir des mers », à l’image de leur apparence effrayante et singulière. Terrifiante mais de petite taille, elle n’est pas aussi immense qu’elle en a l’air et est même de taille plutôt modeste : si la femelle mesure en moyenne 20 cm, le mâle ne dépasse pas les 3 cm. Et sa tête représente 60 % de son poids total !
Avec sa grande bouche ornée de dents acérées, la baudroie a de quoi impressionner. Sa mâchoire béante lui permet de se nourrir d’une grande quantité de petites proies telles que des poissons, des céphalopodes ou des crustacés. Pour attirer ses proies dans l’obscurité totale, la baudroie se sert justement d’un leurre lumineux situé au-dessus de sa tête dont seule la femelle est dotée. Lorsque ce dernier s’illumine, il est bleu, une couleur qui se propage mieux sous l’eau, dans les profondeurs de l’océan. La baudroie abyssale possède un sac de peau appelé esca, rempli de bactéries luminescentes qui se trouve à l’extrémité de la première épine de sa nageoire dorsale, démesurément allongée. Le poisson n’a qu’à attendre tranquillement qu’une proie s’approche de ce leurre pour ensuite fermer la mâchoire et manger à son aise.
Pour s’accoupler, le mâle fusionne avec la femelle. Après avoir repéré les phéromones de la femelle et son leurre bioluminescent, le mâle se fixe à la femelle pour se fondre avec elle jusqu’à ne former plus qu’un. Leurs vaisseaux sanguins fusionnent et les parties devenues inutiles au mâle, comme les nageoires, s’atrophient. On parle de "parasitisme sexuel". Au cours des années 1990, un bateau de pêche basé à Boulogne-sur-Mer a ramené dans ses filets un poisson femelle appartenant à l’espèce Ceratias holboelli, capturé dans les profondeurs de l’Atlantique Nord. Ce spécimen mesurait plus de 40 cm, bien que certains individus puissent atteindre jusqu’à 1,20 m de long. Le spécimen a été ensuite naturalisé par les équipes du Muséum.
Diversité des Stratégies Bioluminescentes chez les Poissons Abyssaux
La bioluminescence n'est pas l'apanage unique de la baudroie, mais une stratégie adoptée sous diverses formes par une multitude d'espèces des abysses. Parmi les espèces les plus emblématiques figurent les poissons-lanternes, regroupés dans la famille des myctophidés. Petits, mais extrêmement abondants, ils forment l’une des biomasses de poissons les plus importantes de la planète. Leur corps est ponctué de photophores, de minuscules organes lumineux disposés selon des motifs propres à chaque espèce. Ces poissons utilisent leur lumière à plusieurs fins. Elle leur permet de se reconnaître, de rester groupés lors de leurs migrations verticales nocturnes et de se dissimuler des prédateurs grâce à la contre-illumination, où leur ventre émet une lumière calibrée pour correspondre exactement à la faible luminosité venant de la surface, effaçant toute ombre vue d'en dessous.
Chez d’autres poissons-pêcheurs de la même famille des Lophiformes, l’organe lumineux est placé sur le palais, à l’intérieur de la mâchoire supérieure. Dans l’obscurité totale des abysses, un point lumineux devient un signal irrésistible, mais la lumière peut aussi servir à d'autres tactiques. Les poissons-dragons, par exemple, poussent cette stratégie encore plus loin. Certaines espèces sont capables d’émettre une lumière rouge, invisible pour la majorité des poissons des profondeurs, ce qui leur confère un avantage significatif pour chasser sans être vus par leurs proies.
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Tous les poissons bioluminescents ne produisent pas eux-mêmes leur lumière. Des espèces comme les poissons cardinaux lumineux ou certains poissons-hachettes hébergent des bactéries bioluminescentes dans des organes spécialisés. En effet, la lumière produite par des organismes vivants est l’un des traits les plus spectaculaires des profondeurs. Si ces poissons utilisent ce leurre lumineux pour être remarqués, le calmar, lui, utilise la lumière pour masquer sa silhouette et ne pas être vu, démontrant une autre facette de l'ingéniosité évolutive.
La Bioluminescence au-delà des Poissons : Un Phénomène Omniprésent
La bioluminescence est un phénomène courant dans les profondeurs océaniques, et il n'est pas l'apanage des seuls poissons. Phytoplancton, méduses et calamars peuvent aussi créer leur lumière et briller dans le noir. Des organismes variés ont développé des usages diversifiés de cette capacité. Pour se défendre, il y a par exemple la technique du « vomi bioluminescent » que la crevette des profondeurs Acanthephyra purpurea n’hésite pas à projeter de manière à repousser ses prédateurs. Autre tactique, le flash lumineux, produit par l’Atolla Atolla wyvillei, une méduse des profondeurs de couleur rouge vif lorsqu’elle est attaquée. Cette capacité à attirer des animaux des profondeurs en utilisant des flashs lumineux a été imitée par Edith Widder, biologiste marin, dont l'appareil E-jelly a permis d’attirer l’attention d’un calmar géant afin de le filmer dans les profondeurs de l’océan. Plus en surface, les ostracodes, des petits crustacés, produisent une lumière bleutée dès qu’ils sont un peu chahutés par les vagues ou qu’ils se sentent menacés.
Le poisson-crapaud à nageoire unie Porichthys notatus, qui vit jusqu’à 366 mètres de profondeur, construit un nid sous les cailloux durant la période de reproduction, un comportement où la bioluminescence peut aussi jouer un rôle. Les bactéries, elles, tiennent à être vues pour être mangées ! C'est l'hypothèse avancée par la chercheuse Séverine Martini qui étudie la bioluminescence au CNRS. En effet, dans les intestins des poissons, ces microorganismes trouvent de quoi manger et se multiplier plus vite que dans l’océan, un avantage certain dans un milieu où les ressources sont limitées.
Aux Frontières de la Recherche : Observer et Comprendre la Lumière des Abysses
L’exploration des fonds océaniques repose aujourd’hui sur une panoplie d’outils qui seraient jugés futuristes il y a seulement quelques décennies. Les campagnes océanographiques combinent navires de recherche, ROV (véhicules téléopérés), AUV (véhicules autonomes) et systèmes de prélèvement in situ pour cartographier, filmer et analyser la vie à des milliers de mètres de profondeur. La technique a progressé sur trois axes : amélioration des capteurs (caméras 4K, chinois électriques, spectromètres), résistance à la pression par des matériaux innovants, et capacités d’intelligence embarquée pour identifier automatiquement des espèces observées. La méthode la plus employée reste l’utilisation d’un ROV téléopéré. Ce système permet de viser des secteurs d’intérêt - sources hydrothermales, pentes abyssales, canyons - et d’agir avec précision pour prélever un spécimen ou filmer un comportement rare, offrant un contrôle humain direct, la possibilité d’interaction avec l’environnement et un retour immédiat des images. Pour des missions rapides ou à moindre coût, on privilégie les AUV programmés pour couvrir de larges surfaces selon un plan de vol. Les bouées et capteurs passifs permettent aussi de capturer des données sur le long terme sans la dépense d’un navire. Un exemple concret : lors d’une mission de 2019, un ROV a filmé trois espèces de poissons-escargots inédites à 7 500 m, un exploit rendu possible grâce à une caméra améliorée et à un bras préleveur fin.
Les Premières Découvertes Scientifiques
Les premiers témoignages de phénomènes bioluminescents remontent à l’Antiquité. Au XIXe siècle, plusieurs scientifiques ont conduit des études expérimentales afin d’en découvrir le mécanisme intime. C’est à un professeur de l’Université de Lyon que l’on doit la clé de l’énigme : le physiologiste Raphaël Dubois (1849-1929). Au cours de ses travaux sur la « biophotogénèse ou production de la lumière par les êtres vivants », le chercheur démontre en effet, en 1887, que la bioluminescence est le résultat d’une réaction chimique entre deux substances : une enzyme, la « luciférase », et son substrat la « luciférine ». La luciférase catalyse l’oxydation de la luciférine qui revient à son état initial en émettant des photons.
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Les Observatoires Sous-Marins : Fenêtres sur l'Activité Bioluminescente
Au large de Toulon, des chercheurs passionnés déploient dans les grands fonds des équipements sophistiqués afin d’observer comment les organismes qui y vivent entrent en relation les uns avec les autres. Derrière l'acronyme ORCA se cache un important détecteur de neutrinos déployé depuis 2017 au large de Toulon par le Centre de physique des particules de Marseille et appartenant à l'observatoire KM3Net. Biologie marine et physique des particules sont à priori deux champs disciplinaires disjoints, mais pas dans le cas présent. Lorsqu’ils traversent notre planète, certains neutrinos laissent pour trace de leur passage dans la mer un cône de lumière bleutée : c’est ce que cherchent à détecter les capteurs optiques d’ORCA. « Malheureusement pour les physiciens, la longueur d’onde de ce bleu, autour de 490 nm, correspond à la lumière émise par les organismes bioluminescents », commente la chercheuse Séverine Martini. C'est un problème qui est apparu lors de la mise en route d’Antares, un détecteur voisin d’ORCA, et qui l’a précédé. Ce premier s’est révélé être, contre toute attente, un observatoire privilégié pour étudier la bioluminescence.
En 2008, Antares est pleinement opérationnel. Immergé par 2400 mètres de fond à 10 milles nautiques (18,5 km) au sud de l’île de Porquerolles, il possède 900 capteurs optiques sensibles au bleu, répartis sur 12 lignes de 400 mètres de long. Les scientifiques exploitant les données d’Antares faisaient face à un bruit de fond trop élevé sur certaines périodes, les photomultiplicateurs chargés de reconstruire les cônes de lumière se déclenchaient en même temps, rendant les signaux alors difficiles à exploiter, raconte Rémi Barbier, maître de conférence à l’Université Claude Bernard Lyon 1. L’hypothèse que la bioluminescence des grands fonds soit responsable de cette cacophonie de signaux a été posée et une caméra a été imaginée pour observer ce qui se passait.
Spécialiste des imageurs sensibles aux photons uniques, Rémi Barbier, alors en poste à l’Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL, baptisé aujourd’hui Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon - Ip2I), s’est inspiré d’une technologie utilisée pour la vision nocturne et a conçu avec son équipe la caméra LuSEApher. Ce prototype est muni d’un capteur sensible à la longueur d’onde de 480 nm et capable de produire un cliché de chaque particule de lumière détectée. « Un signal de 10 photons bioluminescents suffisait à ce que cette caméra se déclenche automatiquement et enregistre une image », détaille le physicien, une véritable performance technologique. Immergée sur Antares entre novembre 2010 et mars 2012, LuSEApher a enregistré plus d’une cinquantaine de films : pas de photo de méduse ou d’autre organisme posant patiemment devant l’objectif, mais des halos de photons émis spontanément et dont la source bouge très vite par rapport au courant. Certains adoptent parfois de brusques changements de direction, preuve qu’ils sont produits par autre chose que du plancton. Ce travail a permis, outre de confirmer la présence de micro et macroorganismes bioluminescents autour du détecteur, de déterminer la signature lumineuse de certains d’entre eux, c’est-à-dire la façon avec laquelle leur lumière décroît avec le temps. Un catalogue a ainsi été progressivement constitué.
Pour répondre aux questions laissées en suspens, la caméra de BathyBot s'avère utile. Le robot benthique "BathyBot", adapté aux grandes profondeurs, est équipé d’une caméra très sensible à la bioluminescence. Il a été déployé en Méditerranée en 2021 et début de l’année prochaine, il explorera par 2500 mètres de fond les environs d’ORCA. Relié par un câble de 50 mètres à une boîte de jonction posée non loin des lignes d’ORCA, elle-même connectée à la terre, le robot est opérable depuis la surface. Il se verra assigner progressivement des trajectoires régulières, ainsi qu’une prise d’images automatisée. Celles-ci permettront de dresser un inventaire des espèces émettant de la lumière. Il filmera entre autres la vie sur « Bathyreef », un récif artificiel dont la silhouette en forme de rampe, dentellée, a été conçue afin qu’un maximum d’espèces puissent la coloniser. Ces images seront complétées par d’autres prises de vues acquises par un système fixe de deux caméras en stéréo appelé « Biocam », développé par l’équipe de Rémi Barbier. Fruit du retour d’expérience de LuSEApher, la Biocam est capable de reconstruire des images tridimensionnelles des organismes observés afin d’en connaître la taille, lacune essentielle de LuSEApher. Elle ne peut se déclencher automatiquement en cas de bioluminescence, mais dispose d’un système d’éclairage à base de LEDs qui peut être modulé en fréquence et intensité. « En jouant sur la longueur d’onde de l’éclairage et en lui imprimant des impulsions différentes, nous espérons attirer des espèces bioluminescentes dont nous enregistrerons la réponse à cette stimulation lumineuse », précise le physicien. Séverine Martini tempère : « Pour une signature donnée, il est peu probable que nous puissions lui associer une espèce particulière. Nous pourrons peut-être déterminer quel groupe d’organismes l’utilise. Il est plus vraisemblable, et ce sera un résultat très intéressant, que nous puissions lui attribuer une fonction précise. » À savoir si elle est liée à la recherche d’un partenaire, à la fuite d’un prédateur ou à un comportement alimentaire.
Le Rôle Crucial des Microorganismes : L'Étude de Photobacterium phosphoreum ANT-2200
Évoluant librement en pleine eau ou présente dans les organes lumineux de certains poissons, les bactéries Photobacterium phosphoreum émettent une lumière bleu-vert semblable aux résidus solaires perceptibles dans les profondeurs où elles vivent. En 2009, puis en 2010, le bruit de fond lumineux, généralement compris entre 40 et 100 kHz, est passé soudainement à 9000 kHz. Chaque pic de bioluminescence coïncide avec une augmentation de la température de l’eau et de la salinité sur le site. « Cette croissance brutale de la lumière abyssale avait lieu au printemps. Nous en avons trouvé l’explication : le renouvellement des eaux profondes dans le golfe du Lion », note Séverine Martini. Lors d’hivers particulièrement venteux et froids, le cas pour ces années-là, la température des eaux superficielles au large de Perpignan chute tandis que la salinité augmente du fait de l’évaporation. Résultat : ces masses d’eau deviennent plus lourdes que celles qui les soutiennent et coulent. Or, ces eaux superficielles sont riches en oxygène, carbone et divers nutriments. En s’enfonçant, elles apportent aux eaux profondes des ressources permettant à l’activité biologique de s’intensifier et, en premier lieu, aux plus petits organismes bioluminescents de proliférer : les bactéries.
Prélevée à 2200 mètres de profondeur aux environs du détecteur, puis isolée, l’une de ces bactéries a fait l’objet d’investigations plus poussées par l’océanologue marseillaise. Son objectif : identifier comment les contraintes environnementales agissent sur le développement de la bactérie et plus particulièrement sur ses capacités à émettre de la lumière. Pour Vincent Grossi, géochimiste au Laboratoire de géologie de Lyon (LGL-TPE) qui a participé à l’étude, Photobacterium phosphoreum ANT-2200 est une bactérie parfaitement adaptée à son milieu et à la puissante pression de l’eau qui réside à 1000 mètres de profondeur, forte d’environ 10 mégapascal (MPa), soit cent fois la pression atmosphérique. « Elle est aussi capable d’ajuster la composition chimique de sa membrane cellulaire afin de se développer sous des pressions encore plus élevées, comme celle du site d’Antares qui avoisine 20 MPa », explique le spécialiste des microorganismes extrêmophiles. « De plus, l’étude a montré que sa bioluminescence croît avec la pression : elle est plus forte à 2200 mètres de profondeur qu’en surface. » Cette dernière observation est un indicateur quant à la fonction probable remplie par la bioluminescence chez ANT-2200 : en émettant de la lumière, les bactéries attirent plus facilement les prédateurs. « Ce qui leur est avantageux, commente Séverine Martini. Elles trouvent au sein des poissons ou de tout autre organisme supérieur dans la chaîne alimentaire, des ressources nutritives et une température plus favorables à leur prolifération qu’en pleine eau ». Rejetées dans les pelotes fécales, elles continuent à se développer au gré des courants pour être de nouveau consommées et dispersées par un autre prédateur. Ou bien, accrochées à la matière organique, finissent par tomber sur le plancher océanique et contribuent à la séquestration du carbone à l’échelle planétaire.
Depuis 2013, les pics lumineux sont rares : quand ils ont eu lieu, les mouvements de convection des eaux ne sont pas descendus aussi profondément, faute d’hivers assez rigoureux. Alors que la bioluminescence constitue un bon indicateur de l’activité biologique des grands fonds, l’impact possible du réchauffement climatique sur celle-ci se pose. D’autres interrogations restent aussi en suspens : ces pics de bioluminescence sont-ils majoritairement dus à l’explosion de populations bactériennes sur le site d’observation ? Ou à l’arrivée d’organismes provenant de la surface et amenés par les masses d’eau ? Pour quelle part les macroorganismes, attirés par des ressources nutritives nouvelles, contribuent-ils à ce foisonnement de lumière ?