Conclusion

.......... Pour conclure, on remarque que l'Homme s'est longtemps inspiré de la luminescence dans la nature, notamment chez les lucioles et les poissons abyssaux, pour plus tard réussir à créer sa propre chimiluminescence grâce à la découverte du luminol.

...... En effet, la réaction entre le luminol et le péroxyde d'hydrogène ressemble très fortement à celle qui a lieu dans la nature entre la luciférine et la luciférase.

...... Cette découverte à permis à de nombreux progrès de voir le jour, par exemple en criminalistique. En ce moment, des recherches sont effectuées sur l'utilisation du luminol dans la médecine, notamment comme gène marqueur lors d'études sur les maladies génétiques.

b) Dans la criminalistique

......La criminalistique est l'ensemble des techniques mises en œuvre par la Justice et la Police pour établir la preuve d'un délit ou d'un crime et d'en identifier son auteur.
......La physique et la chimie sont au cœur de la police scientifique. Elles s’appliquent à de nombreux domaines : la toxicologie (recherche de poisons), la balistique (nature et trajectoire de la balle), identification des explosifs et détections des incendies. Depuis 2003, l’invention du « blue star », produit à base de luminol, permet de retrouver les traces de sang effacées, ainsi la chimie rentre également dans le domaine de la criminalistique.


Utilisation en criminalistique
Théorie :
......Le luminol est utilisé par la police scientifique pour repérer les traces de sang même si celles-ci ont été nettoyées. L'enquêteur prépare une solution de luminol et d'activateur et la pulvérise sur toute la surface du lieu des investigations. Le fer présent dans le sang va alors catalyser la réaction chimique qui provoque la luminescence, révélant l'emplacement du sang. L'éclat est bleu et dure environ 30 secondes. La pièce doit être assez sombre afin de détecter celui-ci. Toute émission de lumière est archivée par une photographie à temps de pose élevé.

Inconvénients :
......Le luminol possède des inconvénients pouvant limiter son utilisation dans les enquêtes criminelles :

• Le luminol réagit en présence de cuivre ou d'un alliage de cuivre, de raifort, et de certains décolorants. Ainsi, si une scène de crime est patiemment nettoyée à l'aide d'une solution diluée d'eau de Javel, celle-ci va devenir entièrement fluorescente, camouflant les éventuelles traces organiques comme le sang.

• Le luminol va également détecter les petites quantités de sang présentes dans l'urine et il peut également réagir si du sang animal était présent dans une pièce testée.

• Le luminol réagit aux matières fécales, produisant le même éclat que s'il s'agissait de sang.

• La présence de luminol peut empêcher de pratiquer d'autres tests. Cependant, il a été montré que l'ADN peut être extrait avec succès d'échantillons traités avec du luminol.

...

a) Les Glowsticks

...... Le mélange chimique entre les deux produits d'un Glowsticks produit une lueur par un phénomène de chimiluminescence lorsque le luminol est en présence d'ions hydroxydes et d'oxygène. C'est une réaction d'oxydo-réduction.

...... Les avantages de ce type d'éclairage tiennent surtout du fait qu'ils ne sont ni toxiques , ni inflammables, de plus, ces tubes ne nécessitent pas de batterie.

Chimie présente dans les Glowsticks :


...... Le Glowstick contient des composés chimiques variables ainsi qu'un colorant flurorescent (en général, un fluorophore). La solution contenue dans le tube est un mélange du colorant et du luminol. La capsule interne contient elle un peroxyde d’hydrogène (eau oxygénée). Le mélange des deux provoque une réaction chimique lors de laquelle le luminol est oxydé et donne deux molécules de phénol et une molécule de peracide. Ce dernier se décompose spontanément en dioxyde de carbone, ce qui produit de l'énergie qui excite le colorant. Le colorant se désexcite en émettant un photon. La couleur de la lumière émise dépend de la structure du colorant.



...... Les colorants utilisés dans les Glowsticks produisent généralement de la fluorescence lorsque soumis à un rayonnement ultraviolet, si bien qu'un tube déjà utilisé rayonnera encore sous une lumière noire. En ajustant les concentrations relatives des réactifs, les industriels peuvent produire des glowsticks qui rayonnent vivement pendant un temps bref ou faiblement sur une longue durée.

3- Applications

...... La chimiluminescence est présente dans de nombreux domaines:

• Dans les " Glowsticks ".

• En criminalistique.

• Lors d'études environnementale.

• Dans la médecine.

...... Dans le cadre de notre TPE, nous avons choisit de présenter la chimiluminescence à travers les Glowsticks, puis dans la criminalistique.

2- Comment fonctionne ce phénomène ?

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Expérience de Chimiluminescence

Que la lumière soit !

...... On assiste à un phénomène de chimiluminescence lorsqu'une réaction chimique aboutit à la formation d'un produit dans un état électronique excité, lequel produit revient à son état fondamental en émettant de la lumière visible.

Réactifs:

- Solution A: dissoudre 0,1 g de luminol dans 400 mL d'eau et ajouter 5 mL de NaOH à 10%.

- Solution B: dissoudre 1,5 g de hexacyanoferrate (III) de potassium, K3Fe(CN)6, dans 400 mL d'eau. Ajouter, au moment de la démonstration, 3 mL de peroxyde d'hydrogène (eau oxygéné, H2O2) à 30%.

Démonstration:

....... Assombrir la pièce et déverser simultanément les solutions A et B dans un grand entonnoir déposé sur un cylindre gradué de 1 L, au fond duquel on a préalablement déposé quelques cristaux d'hexacyanoferrate (III) de potassium. On assiste alors à l'émission d'une lumière bleu-verdâtre.

Explications:

...... Cette production de lumière "froide", c'est à dire d'origine non-thermique au contraire des lampes à incandescence, résulte de la décomposition oxydative du luminol, aboutissant à un produit "excité" qui se désactive ensuite en émettant de la lumière visible. Le mécanisme de la réaction chimique en question fait intervenir un anion radicalaire appelé superoxyde (O2-) résultant de la décomposition de peroxyde d'hydrogène en milieu basique sous l'effet de l'hexacyanoferrate (III) de potassium.

Schéma:

1- Chimiluminescence du luminol

...... Le luminol est un produit chimique présentant une chimiluminescence avec un éclat bleu caractéristique, lorsqu'il est mélangé avec un oxydant adéquat. Il s'agit d'un solide cristallin, blanc jaune qui est soluble dans la plupart des solvants organiques polaires, mais insoluble dans l'eau.

...... Le luminol est utilisé en criminalistique pour détecter les faibles traces de sang laissées sur les scènes de crime. Il est également utilisé par les biologistes pour détecter le cuivre, le fer et le cyanure.

La formule brute du luminol est C8H7N3O2, c’est un isomère.

...... Un oxydant est nécessaire afin de provoquer la luminescence du luminol. Habituellement, une solution de péroxyde d'hydrogène (H₂O₂) et un sel hydroxyde aqueux sont utilisés comme activateur. En présence d'un catalyseur - comme un composé ferreux – le péroxyde d'hydrogène est décomposé en eau et en dioxygène :

2H₂O₂→O₂+2H₂O

...... Dans le cadre d'un laboratoire, le catalyseur utilisé est souvent du ferricyanide de potassium. Pour la détection criminologique de sang, le catalyseur est le fer présent dans l'hémoglobine. Les enzymes de beaucoup de systèmes biologiques sont également susceptibles de catalyser la décomposition de péroxyde d'hydrogène.

II- La chimiluminescence

Il est impossible de réaliser une expérience modélisant la réaction de bioluminescence, c'est la chimiluminescence.


......La chimiluminescence est un phénomène de réaction chimique ayant pour conséquence la production de lumière, cette émission de lumière se produit lorsqu'une molécule instable repasse à un état stable.

...... Le substrat de la bioluminescence peut-être expérimentalement remplacé par des composés chimiluminescents tel que le luminol. Comme la luciférine, le luminol est oxydé au cours d'une réaction d'oxydo-réduction, il atteint un état instable et rejette un photon lumineux afin de revenir à son état fondamental.

La chimiluminescence est utilisée dans de nombreux domaines et permet une utilisation variée :

• - Dans les objets décoratifs lors de fêtes nocturnes, les " Glowsticks" .
  
• - Dans la criminalistique.
• - Dans la médecine.
• - Lors d'études environnementales, pour détecter le dioxyde d'azote.

Dans le cadre de notre TPE , nous avons choisis de traiter la chimiluminescence dans les Glowsticks, puis dans la criminalistique et nous terminerons par la médecine.

d) Mimétisme

Pour les espèces abyssales:


...... Dans l'obscurité des fonds abyssaux, de nombreux êtres vivants émettent des signaux lumineux, par exemple, certains calmars possèdent des organes spécialisés sur leur face ventrale dont la fonction est d'émettre une lumière qui compensent exactement l'ombre que leur corps laisserait entrevoir à un prédateur évoluant plus profondément qu'eux. Ce sont des êtres furtifs qu'il est impossible de repérer.



...... Bien que cela puisse paraître paradoxale, certains poissons utilisent la bioluminescence à des fins de camouflage. En effet, à des profondeurs moyennes, les prédateurs traquent leur proie par dessous, le contour des proies se dessinant ainsi comme des ombres chinoises dans la faible lumière arrivant de la surface. Certains poissons , grâce a la bioluminescence produite sur leur ventre deviennent artificiellement transparents aux yeux des prédateurs en dessous d'eux.

c) Eclairage

Un champs visuel plus large:

Pour les espèces abyssales:

...... En milieu marin profond et obscur, la fonction principale de la bioluminescence est l'éclairage du champs visuel. Les poissons ont un large champs de visions grâce à un bombement important du cristallin à travers la pupille.


....... Les photophores placés sur la tête, juste derrière les yeux, servent à éclairer le champs de vision binoculaire et peuvent donc éclairer la partie antérieur du champs visuel. Par contre, les photophores situés le long du tronc éclairent les champs latéraux et émettent une lumière dirigée vers l'extérieur et aussi vers le bas, comme chez le Ménalostomiatidae.

b) Répulsion

Un système de mise en garde:

Pour les lucioles:

...... La lumière des lucioles est une façon de se défendre contre leur prédateurs. En effet, les lucioles ont très mauvais goûts pour les prédateurs. Ainsi, un animal insectivore qui goute à une lucioles n'osera plus jamais s'attaquer à un autre animal qui brille.

Pour les calmars:

Ces animaux utilisent des mélangent chimiques bioluminescents afin de repousser les attaques des prédateurs de la même espèces. De la même manière que beaucoups de calmars utilisent l'encre, un nuage luminescent est expulsé, repoussant ainsi un potentiel prédateur. Le calmar peut donc prendre la fuite.

a) Attraction

Pour les armes de séduction:

Pour les lucioles :

...... Pour une luciole mâle, il s’agit d’attirer l’attention d’une femelle lors de la période de reproduction. Chaque espèce a son code d'appel et de réponse qui se distingue des autres par la durée des éclairs et leurs couleurs, le nombre et la fréquence des impulsions. Ce code permet d'éviter les erreurs d'identification quand plusieurs lucioles d'espèces différentes émettent leurs signaux en même temps et au même endroit.

Pour la chasse:

Pour les lucioles:

Même si la plupart des lucioles adultes cessent d'être carnivore, certaines espèces comme les femelles photuris chassent les mâles d'autres espèces pour les manger et s'approprier une substance appelée lucibufagine. En effet, la femelle cherche un endroit où les mâles envoient des signaux lumineux et imite la réponse d'une femelle de la même espèce que la proie. Ainsi, le mâle se fait dévorer par la femelle Photuris.

Pour les espèces abyssales:

...... La bioluminescence peut également être utilisé comme un leurre, un appendice lumineux sur la tête du poisson permet d'attirer les petits animaux à une distance autorisant l'attaque.


...... Le plancton luminescent se reproduit plus facilement dans l'abdomen du poisson que dans les eaux autours (température plus élevée, présence de bactéries, ... ). Les micros organismes composants ce planctons utilisent la bioluminescence pour être mieux vu des poissons. Le poisson, attiré par ses lumières arrive et l'avale.

Les poissons

......Il existe deux sortes de luminescence chez les animaux marins :

• Luminescence par les cellules glandulaires
• Luminescence par bactéries symbiotiques
  

1- Luminescence par les cellules glandulaires

......a)Luminescence extra-glandulaire


......La substance produite par l’animal est reversée dans le milieu environnant.


Exemple : Pholas dactylus, Emplectonema, Heteroteuthis dispar qui émet un nuage lumineux, Cypridina





......b)Luminescence intra-glandulaire
............ - Photocytes
......Dans certains cas les produits ne sont pas déversés dans le milieu, la réaction luminescente a lieu dans des cellules spécialisées, les photocytes.
Les photocytes sont des éléments insérés dans la peau de l’animal.


Exemple : Amphiura, Ophiopsila, Ophiothrix, Pleurobrachia produisant des raies de lueur lorsqu’elle est soumise à une excitation.

............ - Photophores
......A cette luminescence intracellulaire s'associent des structures dont le rôle est de modifier l'émission lumineuse. Les photophores sont des organes possédant des écrans, des lentilles et des réflecteurs associés à des photocytes.

2- Luminescence par bactéries symbiotiques

......On trouve des bactéries lumineuses enfermées dans les tubes parallèles d’une glande qui en échange de nourriture donnent de la lumière.
Ce système ne permet pas au poisson de contrôler l’intensité ou la durée de la lumière.

Exemple : Anomalops, Photoblepharon, Anomalopidae

3) A quoi sert ce phénomène ?

...... La luminescence des animaux marins ou des lucioles, à une utilité très importante dans le développement de ces animaux.

Cette bioluminescence est utile dans 4 domaines principalement :

............ a) L'attraction
..................-Une arme de séduction
..................-La chasse

............. b) La répulsion

............. c) L'éclairage

............. d) Le mimétisme.

Les lucioles

......L'espèce la plus étudiée est la luciole, Photynus pyralis, dont la luciférine appartient au groupe des benzothiazoles.
.......La luciole, ou Lampyre, est un insecte coléoptère. Le mot vient du latin lampyris qui vient lui-même du grec λα μπειν, "briller". Ce sont les femelles de ces coléoptères que l'on trouve très facilement, les nuits d'été, grâce à leur postérieur lumineux. Elles mesurent environ 1,5 à 2 cm. Leur corps est ovale, segmenté, mou et aplati, dans les tons bruns. C'est à cet aspect larvaire que l'on doit l'appellation de "ver" luisant.

......La luciole émet de la lumière grâce au phénomène de l'oxydation précédé d'une activation par l'ATP. ( vu ci-dessus )
......La luciole émet de la lumière grâce à sa propriété luminescente. La luminescence permet à certaines substances de restituer sous forme de photons d'énergie(lumière) une partie de l'énergie absorbée au cours d'une excitation due à divers besoins de créer de la lumière.

Expérience : Réactions biochimiques ou enzymatiques ?

......A la fin du siècle dernier, le physiologiste Raphaël Dubois à été le premier à obtenir des résultats sur le fonctionnement biochimiques de la luciole. Pour cela il réalisa une série d'expériences que voici :
......- En réalisant un broyat d'organes lumineux de luciole, mélangés à un peu d'eau froide, il obtient alors une réaction lumineuse de quelques minutes.

......- Ensuite il réalisa la même expérience avec ce même broyat mais dans de l'eau chaude, et il remarque alors que cela ne produit pas de réaction lumineuse. Il en déduit que la bioluminescence est inhibée.
......- Dubois a alors l'idée de mettre un peu de l'extrait à l'eau chaude, dans celle traitée à l'eau froide, dont la luminescence a disparu, ce mélange réanime la luminescence.

a) L'oxydation précédée d'une activation

...... Nous allons tout d'abords expliquer ce phénomène puis le centrer sur les animaux qui l'utilisent : les lucioles et les poissons.


Etapes de la réaction luciférine-luciférase:

...... L'étude de ce système biochimique est réalisé sur les Lucioles Photynus pyralis et implique non seulement de la luciférine, mais aussi de la luciférase, de l'oxygène, et de l'ATP en présence de l'ion divalent magnésium.

...... La luciférine est une molécule fluorescente. Sa forme native est la forme D et non la forme L, inactive pour la production de lumière.

...... Les deux molécules de luciférine interagissent avec la luciférase, toutefois l'oxydation de la forme L ne se réalise pas. Cette dernière contribue uniquement à stabiliser la bioluminescence. Elles s'oxydent sous le contrôle de l'enzyme luciférase du fait qu'elle active le substrat par formation du complexe. On dit alors que ce complexe est oxydé.

LH + ATP + MG ²+ ------> LH – AMP
(1) (2)
LH – AMP ---> O2 -----> L = O* + Co2 -------> L = O +562 nm (nanomètres )
(3) (4)

(1) Au début, l'ATP se lie avec le substrat, c'est-à-dire la luciférine, après avoir été lié avec un ion magnésium MG²+.

(2) Ensuite, la luciférine va réagir avec l'enzyme, la luciférase, et donner une forme intermédiaire, la luciférine adénylate. Il y a libération de pyrophosphate.

(3) Sur ce complexe, l'O2 va réagir en donnant l'oxyluciférine, une péroxyde qui va se cycliser après une libération d'AMP (adénosine-5'- monophosphate).

(4) Cette molécule, dans un état électronique excité, retourne à l'état stable avec une émission d'un photon (lumière) et formation de CO2.