Les résultats, publiés le 23 avril dans les Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences , repoussent 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 comprendre pourquoi 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 un large éventail de comportements, notamment le camouflage, la parade nuptiale, 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.

"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 avaient besoin de savoir quand cette capacité est apparue pour la première fois chez les animaux.

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 pennatules.

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. "Donc, 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 ont 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 les données génétiques de 185 espèces d'octocoraux. .

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 l'âge des fossiles et leurs positions respectives dans l'arbre évolutif octocoral jusqu'à présent 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 partageant ce trait, plus il est probable qu'en remontant dans le temps, ces ancêtres possédaient probablement ce trait également."

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 pourquoi exactement les octocoraux 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.

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 des minéraux marins.

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 l'Université internationale de Floride, au Monterey Bay Aquarium Research Institute, à l'Université de Nagoya, au Harvey Mudd College et à l'Université de Californie à Santa Cruz.