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La photobiologie ou la réponse des êtres vivants à la lumière

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

La photobiologie ou la réponse des êtres vivants à la lumière

Croissance et floraison des plantes et le « GPS intégré » des oiseaux migrateurs

Tout être vivant perçoit et répond à la lumière. Les plantes contrôlent leur croissance en fonction de la direction et de la qualité de lumière. Leur cycle biologique d'environ 24 heures est commandé par une horloge centrale située dans les noyaux cellulaires. En étudiant plus spécifiquement l’Arabette des dames (Arabidopsis thaliana), Margaret Ahmad, directrice de recherche CNRS dans l’unité « Adaptation biologique et vieillissement » (B2A, UPMC/CNRS/Inserm) a mis au jour des photorécepteurs de la lumière bleue appelés cryptochromes.

 

Plantules d'« Arabidopsis thaliana » âgées de 5 jours. Elles ont subi la même quantité de lumière mais avec des champs magnétiques différents. La plantule avec la plus petite tige (hypocotyle) est celle qui a reçu le plus fort champ magnétique : l'effet du champ magnétique intensifie le signal que la plante perçoit de la lumière et inhibe sa croissance. © CNRS Photothèque/Margaret Ahmad

 

Les cryptochromes sont des récepteurs sensibles à la lumière bleue qui participent à la régulation du rythme biologique des organismes vivants (bactéries, plantes, êtres humains) et interviennent dans de nombreux processus (croissance, développement, protection contre stress) chez les plantes. Margaret Ahmad a pu en décrypter le mécanisme d’action et le mode de signalisation. Elle s’est intéressée aux effets des champs magnétiques sur le vivant, notamment sur les oiseaux migrateurs et a fait le rapprochement entre lumière, cryptochrome et champ magnétique.

 

À l’origine était la photosynthèse…

La photosynthèse est une suite de processus en deux phases qui permet aux plantes, aux algues et aux cyanobactéries de fabriquer leur matériel organique et cellulaire. La phase « claire » correspond à l’absorption de l´énergie électromagnétique (les photons) grâce à l´action de pigments (chlorophylles, caroténoïdes) et à sa transformation en énergie chimique. La deuxième phase, appelée à tort « phase sombre » car elle dépend aussi de la lumière, est une « phase de fixation du carbone ».

 

La photosynthèse s’est d’abord développée chez les cyanobactéries, une sous-classe de bactéries procaryotes, autrefois appelées « algues bleues ». Apparues il y a plusieurs milliards d'années, elles ont contribué à l'expansion de la vie sur Terre par leur production d'oxygène, à la construction des premiers puits biologiques de carbone et à une désacidification des océans, lorsqu'elles se sont organisées en colonies fixées capables de produire du calcaire.

 

C’est le jour et la nuit !

La photosynthèse se distingue des processus « photobiologiques » car l’énergie du photon est utilisée comme énergie et non pas comme source d’information. Néanmoins, le processus de photosynthèse est contrôlé par l’environnement lumineux. Le rythme jour-nuit régit l'activité des chloroplastes, ces petites structures responsables de la photosynthèse. Grâce aux photorécepteurs qui perçoivent la différence entre obscurité (nuit) et lumière (jour), les plantes ajustent leur croissance et leur floraison selon la direction (phototropisme), la durée (photopériodicité), l’intensité et la qualité (longueurs d’onde, couleurs) de la lumière. Si la lumière est nécessaire à la photosynthèse, un excès peut aussi créer un stress oxydant, très dangereux pour les cellules. C’est pourquoi les organismes photosynthétiques ont développé un système de photo-protection qui consiste en une réorganisation des pigments collecteurs d’énergie.

 

Champ magnétique terrestre, lumière et orientation

Les oiseaux migrateurs ne parviennent à s’orienter qu'en présence de lumière bleue ou verte tandis que les autres longueurs d'onde du spectre les perturbent dans leurs déplacements. Pour tester cette hypothèse difficilement vérifiable in situ, les chercheurs se sont tournés vers un candidat végétal de référence, l’Arabidopsis thaliana, une plante de laboratoire aux propriétés physico-chimiques similaires. Ils ont exposé des plants à une source de lumière bleue et à un champ magnétique d'intensité variable.

 

Les scientifiques ont montré que les protéines photoréceptrices (cryptochromes) présentes chez la plante et sur la rétine des oiseaux, sont également sensibles aux champs magnétiques. Ils ont découvert la même sensibilité au champ magnétique que chez certains insectes (comme les drosophiles). Les cryptochromes ayant été conservés au cours de l'évolution des espèces, on peut supposer que même s'ils n'en font pas usage, tous les organismes biologiques sont dotés d'un sixième sens, celui de la perception des champs magnétiques.

 

Ces études ont ouvert la voie à des applications en biotechnologie et/ou en médecine (par exemple la biosynthèse contrôlée de médicaments anti-VIH) et au développement d’outils de traitement du stress oxydatif par « illuminothérapie » et/ou magnétothérapie chez l’homme. Le contrôle des réponses au cryptochrome par un champ magnétique et/ou par la lumière pourrait éventuellement servir dans le traitement de maladies neuronales dégénératives comme la maladie d’Alzheimer.

Pour en savoir plus :

Unité « Adaptation biologique et vieillissement » (B2A, UPMC/CNRS/Inserm)Nouvelle fenêtre



20/03/15