Dans l’obscurité bleutée de l’océan, un organisme presque transparent traverse l’eau tandis que des bandes arc-en-ciel semblent courir le long de son corps. Rouge, orange, vert, bleu et violet apparaissent successivement à mesure que l’animal se déplace.
Cette vision spectaculaire conduit facilement à une conclusion : le cténophore produit une lumière multicolore.
Pourtant, ces couleurs ne sont généralement pas de la bioluminescence.
Les reflets caractéristiques des cténophores proviennent principalement d’un phénomène physique lié à leurs rangées de cils locomoteurs. Leur organisation extrêmement régulière interagit avec la lumière incidente et produit des couleurs structurelles dont l’apparence change avec l’angle d’observation. Des travaux consacrés à Beroë cucumis ont montré que cette irisation peut s’expliquer par l’organisation cohérente des cils et les variations d’indice de réfraction qu’elle crée.
La confusion est d’autant plus facile que de nombreux cténophores possèdent aussi une véritable capacité de bioluminescence.
Un même groupe animal peut donc présenter deux phénomènes lumineux totalement différents : l’un transforme la lumière extérieure, l’autre produit réellement de la lumière.
Cette distinction ouvre une fenêtre fascinante sur la biologie d’animaux marins dont les particularités ne s’arrêtent pas à leurs couleurs. Les cténophores nagent grâce à huit rangées de « peignes » ciliés, capturent leurs proies avec des structures spécialisées et occupent une position remarquable dans les recherches sur les premières divergences de l’évolution animale.
Sommaire
- Les cténophores ne sont pas des méduses
- L’origine de leurs couleurs arc-en-ciel
- Le rôle des huit rangées de peignes
- Diffraction, réflexion et couleur structurelle
- La différence avec la bioluminescence
- Le déplacement grâce aux cils
- Le contrôle de la nage
- Les tentacules et les colloblastes
- Les autres stratégies de prédation
- La place des cténophores dans l’évolution animale
- Les conséquences de cette position évolutive
- Les principales idées reçues
- FAQ
- Conclusion
Les cténophores forment un groupe animal distinct
Les cténophores appartiennent au phylum Ctenophora.
Leur corps transparent et gélatineux explique leur ressemblance superficielle avec certaines méduses. Cette apparence a d’ailleurs conduit à l’expression anglaise « comb jellies ».
Mais un cténophore n’est pas une méduse.
Les méduses appartiennent aux Cnidaires, tandis que les cténophores constituent une lignée animale indépendante.
Leur caractéristique la plus immédiatement reconnaissable est la présence de huit rangées longitudinales de structures ciliées appelées rangées de peignes.
Chaque peigne, ou palette natatoire, est formé d’un grand nombre de cils associés. Leur battement coordonné constitue le principal système de propulsion de la majorité des cténophores pélagiques.
Ce sont également ces structures qui produisent leurs célèbres irisations.
Les couleurs arc-en-ciel viennent de la lumière extérieure
Une véritable bioluminescence implique une production de lumière par un organisme vivant grâce à des mécanismes biochimiques.
L’irisation des rangées de peignes fonctionne autrement.
Elle nécessite une source lumineuse extérieure.
Lorsque de la lumière atteint les structures ciliées, l’organisation très régulière des cils modifie la manière dont certaines longueurs d’onde sont réfléchies et observées.
Une étude publiée dans Physical Review E a analysé en détail les propriétés optiques des rangées ciliées de Beroë cucumis. Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique, la modélisation et des simulations numériques.
Ils ont montré que la coloration changeante peut être expliquée par la structure très cohérente formée par l’assemblage des cils locomoteurs. Cette organisation produit des variations régulières d’indice de réfraction et des réflexions sélectives dépendant notamment de l’angle d’incidence.
Autrement dit, le cténophore ne fabrique pas les couleurs comme une petite lampe.
Sa structure physique transforme la lumière qui l’éclaire.
Une couleur structurelle plutôt qu’un pigment
Les couleurs biologiques peuvent avoir plusieurs origines.
Certaines proviennent de pigments qui absorbent une partie du spectre lumineux et en réfléchissent une autre.
D’autres sont dites structurelles.
Dans ce second cas, des architectures microscopiques interagissent directement avec la lumière.
Les irisations des cténophores appartiennent à cette catégorie.
L’étude de Beroë cucumis montre que les couleurs observées peuvent couvrir une large partie du spectre visible et même s’étendre dans l’ultraviolet selon l’angle d’incidence.
Cela explique leur caractère changeant.
Une bande qui paraît bleue sous un angle peut prendre une autre couleur lorsque l’animal, la source lumineuse ou l’observateur change de position.
Le battement des peignes accentue encore cet effet visuel.
Les cils jouent à la fois avec l’eau et avec la lumière
Les structures responsables de l’irisation n’ont pas évolué simplement pour produire un spectacle coloré.
Leur fonction essentielle est locomotrice.
Les huit rangées de peignes s’étendent le long du corps. Chaque palette natatoire rassemble de très nombreux cils parallèles reliés entre eux.
En battant de manière coordonnée, ces structures déplacent l’eau.
Des vagues de battements peuvent se propager le long des rangées et faire avancer ou reculer l’animal. Lors de la nage vers l’avant, les ondes de battement se propagent selon une direction particulière le long des rangées ; cette direction peut être inversée lors de la nage arrière.
La même organisation régulière nécessaire à cette propulsion produit donc, sous un éclairage approprié, l’impression de bandes arc-en-ciel mobiles.
L’irisation et la bioluminescence sont deux phénomènes distincts
La distinction est essentielle.
L’irisation correspond à une interaction entre une structure biologique et une lumière déjà présente.
La bioluminescence correspond à une émission lumineuse produite biologiquement.
Chez les cténophores, les deux phénomènes peuvent coexister.
Une synthèse consacrée à leur biologie indique que de nombreux cténophores sont capables de bioluminescence et possèdent des cellules spécialisées associées aux régions situées sous les rangées de peignes.
Cela ne transforme pas les couleurs arc-en-ciel en bioluminescence.
L’étude optique de Beroë cucumis a même examiné séparément la transmission des structures ciliées à la longueur d’onde correspondant au maximum de bioluminescence, ce qui souligne bien la distinction entre les deux mécanismes.
Un cténophore éclairé par une lampe peut donc produire des reflets multicolores sans utiliser son système bioluminescent.
L’obscurité permet de comprendre la différence
Une comparaison conceptuelle permet de distinguer facilement les phénomènes.
L’irisation dépend de la lumière qui arrive sur les peignes.
Sans éclairage extérieur, il n’y a pas de lumière incidente à redistribuer sous forme de couleurs structurelles visibles.
La véritable bioluminescence, elle, peut être observée dans l’obscurité puisqu’elle correspond à une production de photons par l’organisme.
Les vidéos réalisées avec un éclairage artificiel peuvent rendre la distinction moins évidente. Une lampe dirigée sur un cténophore transparent fait immédiatement ressortir ses rangées multicolores.
Le résultat paraît lumineux.
Physiquement, il s’agit pourtant d’un phénomène différent d’une émission biologique.
Huit rangées de peignes assurent la propulsion
Les cténophores sont remarquables parce que leurs cils ne servent pas uniquement à déplacer des particules microscopiques ou des fluides à la surface du corps.
Ils propulsent l’animal entier.
Les palettes natatoires constituent le principal système locomoteur chez la majorité des espèces nageuses. Les battements sont organisés en vagues coordonnées le long des huit rangées.
L’animal peut ainsi ajuster sa trajectoire.
Le système sensoriel situé vers le pôle aboral participe au contrôle de l’orientation. Une structure appelée statocyste intervient notamment dans la perception de la gravité et dans la modulation de l’activité des rangées de peignes.
Le mouvement apparemment délicat d’un cténophore repose donc sur un système de coordination complexe.
Les muscles complètent le travail des cils
Réduire toute la locomotion et tous les mouvements du cténophore aux peignes serait néanmoins excessif.
Les muscles interviennent dans plusieurs comportements.
Ils participent notamment à la manipulation des structures alimentaires, à la rétraction des tentacules et, chez certains groupes, à des mouvements particulièrement importants lors de la capture et de l’ingestion des proies.
Les différentes lignées de cténophores présentent d’ailleurs des morphologies et des modes de déplacement variés.
Certaines espèces vivent dans la colonne d’eau.
D’autres sont benthiques et possèdent une organisation corporelle très différente.
L’image classique d’une sphère transparente nageant grâce à huit rangées lumineuses ne représente donc pas toute la diversité du groupe.
Les colloblastes remplacent les cellules urticantes des méduses
La prédation révèle une autre différence majeure avec les Cnidaires.
De nombreux cténophores possèdent des tentacules servant à intercepter de petites proies planctoniques.
Ces tentacules portent des cellules spécialisées appelées colloblastes.
Elles sont caractéristiques des cténophores et servent à retenir les organismes qui entrent en contact avec elles. Les publications phylogénétiques consacrées au groupe citent les colloblastes comme l’une de ses caractéristiques biologiques distinctives.
Le mécanisme diffère donc des cnidocytes des méduses, anémones et autres Cnidaires.
Les cnidocytes utilisent des structures capables de se décharger rapidement, souvent avec un effet perforant ou urticant.
Les colloblastes fonctionnent principalement comme des structures adhésives de capture.
Tous les cténophores ne chassent pas de la même façon
La diversité des stratégies alimentaires interdit toutefois de présenter les tentacules et colloblastes comme une règle absolue applicable à chaque espèce adulte.
Les Beroida, par exemple, constituent des prédateurs spécialisés d’autres cténophores.
Ils sont dépourvus du système tentaculaire typique utilisé par de nombreuses autres espèces.
Chez les béroïdes, de grandes structures ciliées spécialisées situées dans la région buccale participent à la capture et à l’ingestion des proies. Des macrocilia peuvent agir lors de la morsure et de l’engloutissement.
Certains cténophores peuvent ainsi avaler des proies gélatineuses de taille impressionnante par rapport à leur propre corps.
D’autres capturent principalement du zooplancton avec leurs tentacules.
Le phylum rassemble donc plusieurs solutions prédatrices autour d’une organisation corporelle commune.
Le cténophore occupe une place extraordinaire dans l’évolution animale
L’un des débats les plus importants concernant les cténophores ne se déroule pas dans l’océan mais dans les arbres phylogénétiques.
Les biologistes cherchent depuis longtemps à déterminer quelle grande lignée actuelle est la plus proche de la première divergence parmi les animaux vivants.
Deux hypothèses ont particulièrement dominé le débat.
Selon l’une, les éponges constituent le groupe frère de tous les autres animaux.
Selon l’autre, ce sont les cténophores.
Cette question paraît abstraite, mais ses conséquences sont considérables.
Cténophores et éponges possèdent des organisations biologiques très différentes. Déterminer leur ordre de divergence influence donc les scénarios proposés pour l’évolution précoce des systèmes nerveux, des muscles et d’autres caractères animaux.
Des chromosomes ont apporté un nouvel argument majeur
En 2023, une étude publiée dans Nature a abordé le problème d’une manière différente.
Plutôt que de comparer uniquement les séquences individuelles de nombreux gènes, les chercheurs ont analysé des organisations chromosomiques anciennes, notamment des associations de gènes conservées au cours de l’évolution.
Ils ont comparé des cténophores, des éponges, d’autres animaux et plusieurs proches parents unicellulaires des animaux.
Le résultat soutient fortement l’hypothèse dans laquelle les cténophores constituent le groupe frère de tous les autres animaux vivants.
Les chercheurs ont identifié des organisations chromosomiques ancestrales conservées chez les cténophores et les lignées unicellulaires, tandis que les éponges, Cnidaires et Bilatériens partageaient plusieurs réarrangements dérivés.
Ces caractères de synténie ont fourni un nouvel ensemble de données pour résoudre cette divergence extrêmement ancienne.
La formulation scientifique doit rester précise
Il serait néanmoins imprudent de transformer cette étude en affirmation selon laquelle « le cténophore est le premier animal ».
Un cténophore vivant aujourd’hui n’est pas l’ancêtre des autres animaux.
Il représente une branche moderne ayant elle-même évolué pendant une immense durée.
L’hypothèse soutenue par l’étude de 2023 signifie que la lignée conduisant aux cténophores actuels se serait séparée avant la divergence commune menant aux autres grands groupes animaux actuels.
Le débat a également connu des résultats contradictoires selon les méthodes phylogénomiques utilisées. Des travaux publiés en 2023 défendaient encore des interprétations opposées concernant la position des éponges et des cténophores.
La synténie chromosomique a depuis fourni un argument particulièrement puissant en faveur de Ctenophora comme groupe frère des autres animaux.
Cette position complique l’histoire du système nerveux
Les cténophores possèdent un système nerveux et des comportements coordonnés.
Les éponges, en revanche, n’ont pas de neurones conventionnels.
Si les cténophores représentent réellement la branche sœur de tous les autres animaux, plusieurs scénarios deviennent possibles pour expliquer l’origine des systèmes nerveux.
Un système neuronal a pu exister très tôt puis être perdu ou profondément transformé dans certaines lignées.
Une autre possibilité discutée dans la littérature est que certaines composantes de la neurobiologie aient connu des trajectoires évolutives beaucoup plus indépendantes qu’on ne l’imaginait autrefois.
Le génome de Pleurobrachia bachei, publié en 2014, avait déjà attiré l’attention sur les particularités moléculaires du système nerveux des cténophores et sur leurs implications pour l’évolution animale.
Les cténophores ne sont donc pas simplement des animaux « primitifs ».
Ils possèdent leur propre histoire évolutive, avec des spécialisations remarquables.
Idées reçues sur les cténophores
Les bandes arc-en-ciel sont de la bioluminescence
C’est l’erreur la plus fréquente.
Les couleurs des peignes sont principalement des couleurs structurelles produites par l’interaction de la lumière incidente avec l’organisation cohérente des cils.
La bioluminescence correspond à un mécanisme différent.
Les cténophores ne produisent aucune lumière
Cette affirmation inverse est également fausse.
De nombreux cténophores possèdent une véritable bioluminescence. L’existence de cette capacité ne change simplement pas l’origine physique de leurs reflets arc-en-ciel.
Un cténophore est une méduse
La ressemblance est superficielle.
Les méduses appartiennent aux Cnidaires. Les cténophores forment le phylum Ctenophora et possèdent notamment leurs rangées de peignes et, chez de nombreuses espèces, des colloblastes.
Les huit bandes colorées servent à produire de la lumière
Leur fonction principale est la locomotion.
L’effet optique est lié à l’organisation des cils qui composent ces structures natatoires.
Tous les cténophores capturent leurs proies avec des tentacules
De nombreuses espèces utilisent des tentacules et des colloblastes, mais ce n’est pas universel. Les béroïdes possèdent une stratégie prédatrice différente et peuvent notamment se nourrir d’autres cténophores.
Les cténophores sont les ancêtres des autres animaux
Un groupe frère n’est pas un ancêtre vivant.
Les cténophores actuels et les autres animaux actuels descendent de lignées anciennes ayant suivi des trajectoires évolutives distinctes.
FAQ
L’origine des couleurs arc-en-ciel du cténophore
Les couleurs visibles sur les rangées de peignes résultent principalement de l’interaction de la lumière avec l’organisation régulière des cils locomoteurs. Elles constituent un phénomène de couleur structurelle et changent selon l’angle d’incidence et d’observation.
La différence entre irisation et bioluminescence
L’irisation transforme une lumière extérieure. La bioluminescence produit réellement de la lumière par un mécanisme biologique.
La présence de bioluminescence chez les cténophores
De nombreux cténophores sont réellement bioluminescents. Cette lumière est distincte des reflets multicolores observés lorsque leurs peignes sont éclairés.
Le nombre de rangées de peignes
Le plan corporel caractéristique comporte huit rangées longitudinales de peignes ciliés, utilisées principalement pour la propulsion.
Le fonctionnement de la nage
Chaque palette est constituée de nombreux cils associés. Leur battement coordonné forme des vagues le long des rangées et pousse l’eau, permettant à l’animal de se déplacer.
Le rôle des colloblastes
Les colloblastes sont des cellules spécialisées caractéristiques des cténophores, présentes sur les structures de capture de nombreuses espèces. Elles participent à l’adhésion et à la rétention des proies.
L’alimentation des cténophores
De nombreuses espèces consomment du zooplancton. Certaines capturent de petits crustacés et d’autres organismes, tandis que les béroïdes sont notamment spécialisés dans la prédation d’autres cténophores.
La position des cténophores dans l’arbre animal
Une étude fondée sur la synténie chromosomique publiée dans Nature en 2023 soutient fortement Ctenophora comme groupe frère de tous les autres animaux vivants. Cette question a longtemps fait l’objet d’un débat entre les hypothèses « cténophores d’abord » et « éponges d’abord ».
Le statut de « premier animal »
Cette expression est trompeuse. Les espèces actuelles de cténophores ne sont pas les ancêtres des autres animaux. Elles constituent une lignée moderne issue d’une divergence extrêmement ancienne.
Conclusion
Le cténophore et son irisation lumineuse illustrent parfaitement la facilité avec laquelle notre perception peut confondre deux phénomènes biologiques totalement différents.
Les bandes arc-en-ciel qui semblent s’allumer successivement sur son corps ne sont généralement pas produites par une réaction bioluminescente.
Elles apparaissent lorsque la lumière extérieure rencontre les huit rangées de peignes ciliés.
L’organisation extrêmement régulière de ces cils crée des propriétés optiques particulières. Les travaux menés sur Beroë cucumis montrent que les variations d’indice de réfraction associées à leur arrangement cohérent produisent des réflexions sélectives dont la couleur dépend de l’angle.
Le mouvement rend le phénomène encore plus spectaculaire.
Lorsque les palettes natatoires battent successivement, l’orientation des structures change. Les couleurs paraissent alors courir le long du corps comme une onde lumineuse.
Mais ces peignes ne sont pas des décorations.
Ils constituent avant tout un remarquable système de propulsion.
Chaque palette réunit un très grand nombre de cils fonctionnant ensemble. Les vagues de battements coordonnées le long des huit rangées permettent au cténophore de progresser, de changer de direction et, chez les espèces nageuses, d’ajuster finement son déplacement dans la colonne d’eau.
La véritable bioluminescence appartient à une autre histoire.
De nombreux cténophores sont capables de produire biologiquement de la lumière. Cette capacité peut donc exister chez le même animal qui présente des irisations structurelles, sans que les deux phénomènes aient la même origine.
Leur biologie alimentaire est tout aussi particulière.
Chez de nombreuses espèces, des tentacules portant des colloblastes permettent de capturer des organismes planctoniques. Ces cellules adhésives constituent l’une des caractéristiques distinctives du groupe. D’autres lignées ont profondément modifié cette stratégie : les béroïdes, par exemple, peuvent capturer et engloutir d’autres cténophores grâce à une anatomie buccale spécialisée.
Enfin, derrière l’animal transparent aux couleurs spectaculaires se cache l’une des grandes questions de l’évolution.
Pendant des années, les phylogénéticiens ont débattu de la première grande séparation entre les lignées animales encore représentées aujourd’hui. Certaines analyses plaçaient les éponges à la base de cette divergence, d’autres les cténophores.
En 2023, une analyse fondée sur des associations chromosomiques très anciennes a apporté un soutien particulièrement fort à la seconde hypothèse. Les cténophores y apparaissent comme le groupe frère de tous les autres animaux.
Cette position ne signifie pas qu’un cténophore moderne ressemble au premier animal.
Elle signifie que sa lignée pourrait conserver une histoire évolutive séparée depuis l’une des toutes premières grandes divergences du règne animal.
Ses peignes irisés prennent alors une dimension supplémentaire.
Ils ne sont pas seulement responsables d’un des spectacles optiques les plus étonnants du plancton marin. Ils appartiennent à une architecture animale profondément originale, portée par une lignée qui joue aujourd’hui encore un rôle majeur dans notre compréhension des origines de la diversité animale.
Sources
Welch V., Vigneron J.-P., Lousse V. & Parker A. — Optical properties of the iridescent organ of the comb-jellyfish Beroë cucumis (Ctenophora), Physical Review E, 2006. Étude expérimentale et théorique de référence sur l’origine physique de l’irisation des rangées de peignes.
Schultz D. T., Haddock S. H. D., Bredeson J. V. et al. — Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals, Nature, 2023. Analyse de synténie chromosomique apportant un soutien fort à la position des cténophores comme groupe frère des autres animaux.
Whelan N. V. & Halanych K. M. — Available data do not rule out Ctenophora as the sister group to all other Metazoa, Nature Communications, 2023. Contribution au débat phylogénétique sur la position profonde des cténophores.
Redmond A. K. & McLysaght A. — réponse dans Nature Communications, 2023. Présentation d’une interprétation alternative soutenant les éponges comme groupe frère des autres animaux et illustrant les difficultés méthodologiques historiques de cette question.
Whelan N. V. et al. — Ctenophore relationships and their placement as the sister group to all other animals, Nature Ecology & Evolution, 2017. Étude phylogénomique et synthèse de caractères biologiques tels que les colloblastes, les muscles et les différents modes de vie des cténophores.
Moroz L. L. et al. — The ctenophore genome and the evolutionary origins of neural systems, Nature, 2014. Étude génomique consacrée notamment aux particularités du système nerveux des cténophores et à leurs implications pour l’évolution animale.