Mystère marin résolu : les origines anciennes de la bioluminescence découvertes

Une étude explore une ancienne lignée marine invertébrésy compris les coraux mous, repousse le précédent exemple de trait le plus ancien de près de 300 millions d'années.

Selon une nouvelle étude réalisée par des scientifiques du Musée national d'histoire naturelle du Smithsonian, la bioluminescence est apparue chez des animaux il y a au moins 540 millions d'années, parmi un groupe d'invertébrés marins appelés octocoraux.

Les résultats, publiés dans le Actes de la Royal Society Brepoussent de près de 300 millions d’années le précédent record de l’émergence la plus ancienne du trait lumineux chez les animaux, et pourraient un jour aider les scientifiques à décoder la raison pour laquelle la capacité de produire de la lumière a évolué en premier lieu.

La bioluminescence – la capacité des êtres vivants à produire de la lumière via des réactions chimiques – a évolué indépendamment au moins 94 fois dans la nature et est impliquée dans une vaste gamme de comportements, notamment le camouflage, la cour, la communication et la chasse. Jusqu’à présent, on pensait que l’origine la plus ancienne de la bioluminescence chez les animaux remontait à environ 267 millions d’années chez de petits crustacés marins appelés ostracodes.

Mais pour un trait littéralement éclairant, les origines de la bioluminescence sont restées obscures.

Le bambou octocoral Isidella sp. affichant la bioluminescence aux Bahamas en 2009. Crédit : Sönke Johnsen

« Personne ne sait vraiment pourquoi il a évolué pour la première fois chez les animaux », a déclaré Andrea Quattrini, conservateur des coraux au musée et auteur principal de l'étude.

Mais pour que Quattrini et l'auteure principale Danielle DeLeo, associée de recherche au musée et ancienne boursière postdoctorale, puissent finalement aborder la question plus vaste de l'évolution de la bioluminescence, ils devaient savoir quand cette capacité est apparue pour la première fois chez les animaux.

Méthodologie et résultats de recherche

À la recherche des origines les plus anciennes de ce trait, les chercheurs ont décidé de se pencher sur l'histoire évolutive des octocoraux, un groupe d'animaux évolutifs anciens et fréquemment bioluminescents qui comprend des coraux mous, des gorgones et des plumes marines. Comme les coraux durs, les octocoraux sont de minuscules polypes coloniaux qui sécrètent une structure qui devient leur refuge, mais contrairement à leurs parents pierreux, cette structure est généralement molle. Les octocoraux qui brillent ne le font généralement que lorsqu'ils sont heurtés ou dérangés, laissant la fonction précise de leur capacité à produire de la lumière un peu mystérieuse.

« Nous voulions déterminer le moment de l'origine de la bioluminescence, et les octocoraux sont l'un des groupes d'animaux les plus anciens de la planète connus pour être bioluminescents », a déclaré DeLeo. « Alors, la question était de savoir quand ont-ils développé cette capacité ?

Ce n'est pas un hasard si Quattrini et Catherine McFadden du Harvey Mudd College avaient réalisé un arbre évolutif extrêmement détaillé et bien étayé des octocoraux en 2022. Quattrini et ses collaborateurs ont créé cette carte des relations évolutives, ou phylogénie, en utilisant des données génétiques de 185 espèces d'octocoraux.

Une diversité de coraux bambous et de coraux dorés dans l'océan Pacifique central, des octocoraux des grands fonds connus pour être bioluminescents. Crédit : Bureau d'exploration et de recherche océaniques de la NOAA

Avec cet arbre évolutif fondé sur des preuves génétiques, DeLeo et Quattrini ont ensuite localisé deux fossiles octocoraux d'âges connus dans l'arbre en fonction de leurs caractéristiques physiques. Les scientifiques ont pu utiliser jusqu'à présent l'âge des fossiles et leurs positions respectives dans l'arbre évolutif octocoral pour déterminer approximativement à quel moment les lignées octocorales se sont séparées pour devenir deux branches ou plus. Ensuite, l’équipe a cartographié les branches de la phylogénie qui présentaient des espèces bioluminescentes vivantes.

Une fois l’arbre évolutif daté et les branches contenant des espèces lumineuses étiquetées, l’équipe a ensuite utilisé une série de techniques statistiques pour effectuer une analyse appelée reconstruction de l’état ancestral.

« Si nous savons que ces espèces d'octocoraux vivant aujourd'hui sont bioluminescentes, nous pouvons utiliser des statistiques pour déduire si leurs ancêtres étaient hautement susceptibles d'être bioluminescents ou non », a déclaré Quattrini. « Plus il y a d'espèces vivantes possédant le trait commun, plus il est probable qu'à mesure que l'on remonte dans le temps, ces ancêtres possédaient probablement également ce trait. »

Les chercheurs ont utilisé de nombreuses méthodes statistiques différentes pour reconstituer leur état ancestral, mais tous sont arrivés au même résultat : il y a environ 540 millions d'années, l'ancêtre commun de tous les octocoraux était très probablement bioluminescent. C'est 273 millions d'années plus tôt que les crustacés ostracodes brillants qui détenaient auparavant le titre de première évolution de la bioluminescence chez les animaux.

DeLeo et Quattrini ont déclaré que les milliers de représentants vivants des octocoraux et l'incidence relativement élevée de bioluminescence suggèrent que ce trait a joué un rôle dans le succès évolutif du groupe. Bien que cela soulève la question de savoir à quoi servent exactement les octocoraux qui utilisent la bioluminescence, les chercheurs ont déclaré que le fait qu'elle soit conservée depuis si longtemps met en évidence l'importance de cette forme de communication pour leur forme physique et leur survie.

Orientations futures de la recherche et conservation

Maintenant que les chercheurs savent que l'ancêtre commun de tous les octocoraux avait probablement déjà la capacité de produire sa propre lumière, ils s'intéressent à une analyse plus approfondie de celles des plus de 3 000 espèces vivantes du groupe qui peuvent encore s'éclairer et celles qui ont perdu cette caractéristique. . Cela pourrait aider à se concentrer sur un ensemble de circonstances écologiques en corrélation avec la capacité de bioluminescence et potentiellement à éclairer sa fonction.

À cette fin, DeLeo a déclaré qu'elle et certains de ses co-auteurs travaillaient à la création d'un test génétique pour déterminer si une espèce octocorale possède des copies fonctionnelles des gènes sous-jacents à la luciférase, une enzyme impliquée dans la bioluminescence. Pour les espèces de luminosité inconnue, un tel test permettrait aux chercheurs d’obtenir une réponse dans un sens ou dans l’autre plus rapidement et plus facilement.

En plus de mettre en lumière les origines de la bioluminescence, cette étude offre également un contexte évolutif et des informations qui peuvent éclairer la surveillance et la gestion de ces coraux aujourd'hui. Les octocoraux sont menacés par le changement climatique et les activités d’extraction de ressources, en particulier la pêche, l’extraction de pétrole et de gaz et les déversements, et plus récemment par l’exploitation minière marine.

Cette recherche soutient le Centre des sciences océaniques du musée, qui vise à faire progresser et à partager les connaissances sur l'océan avec le monde. DeLeo et Quattrini ont déclaré qu'il y avait encore beaucoup à apprendre avant que les scientifiques puissent comprendre pourquoi la capacité de produire de la lumière a d'abord évolué, et bien que leurs résultats situent ses origines profondément dans l'évolution, il est possible que de futures études découvrent que la bioluminescence est encore plus ancienne. .

Cette étude inclut des auteurs affiliés à la Florida International University, au Monterey Bay Aquarium Research Institute, Université de NagoyaHarvey Mudd College et Université de Californie, Santa Cruz.

La recherche a été soutenue par le Smithsonian, la Fondation David et Lucile Packard, l'Agence japonaise pour la science et la technologie et la National Science Foundation des États-Unis.