7 juillet 2022

Le guide de l’éclairage des coraux

1.les bases du corail et de la lumière les bases du corail et de la lumière

1-1. La relation entre la longueur d’onde et la couleur

La lumière visible (les longueurs d’onde visibles par l’œil humain) se situe entre 400 et 700 nm, avec des longueurs d’onde courtes (basses) à gauche et des longueurs d’onde longues (hautes) à droite. L’ordre des couleurs, de gauche à droite, est le suivant : ultraviolet (UV, en dessous de 400 nm), violet, bleu profond, bleu, cyan, vert, vert jaune, jaune, ambre, rouge et rouge profond. Cet ordre est le même que celui de la disposition des couleurs de l’intérieur vers l’extérieur de l’arc-en- ciel. Sur le côté droit, au-dessus de 700 nm, se trouve l’infrarouge.

L’énergie du rayon est plus forte dans les longueurs d’onde simples que dans les longueurs d’onde plus longues. Comme l’œil humain a une sensibilité visuelle spécifique (visibilité relative), l’intensité de la lumière est perçue différemment selon la couleur. Par exemple, une lumière verte de 555 nm est ressentie le plus intensément, alors qu’une lumière bleue et rouge n’en représente qu’un dixième environ.

1-2. Spectre solaire et spectre sous-marin

La lumière du soleil contient une quantité presque uniforme de lumière visible de 400-700 nm, mais les UV (en dessous de 400 nm) sont légèrement plus faibles.
La lumière visible dans la gamme 400-700 nm de la lumière du soleil est presque uniformément contenue, et les UV en dessous de 400 nm sont également présents à environ 30-40% de l’intensité de la lumière visible.

Il existe trois types de rayons ultraviolets : UVC/UVB/UVA. L’ultraviolet C (UVC -200-280nm), s’atténue dans l’atmosphère et n’atteint pas le sol, l’UVB (280-320nm : la cause des coups de soleil) atteint la surface de la terre mais s’atténue dans l’eau et n’est pas présent dans la mer et l’UVA (320-400nm) est le seul type de rayonnement ultraviolet dans la mer. Et, dans les eaux transparentes, l’intensité des UV dans l’océan est si élevée que les UVA peuvent atteindre la même profondeur que la lumière visible. En outre, sous la mer, les longueurs d’onde supérieures à 600 nm sont fortement atténuées, et à des profondeurs inférieures à 10 m, la lumière rouge devient pratiquement inexistante.

Voir le film pour mesurer réellement le spectre bathymétrique et la PPFD (densité de flux de photons photosynthétiques) dans le récif. Le spectre de profondeur montre que la majorité de la longueur d’onde rouge est perdue même à une profondeur de seulement 4 mètres. Cependant, la lumière UV arrive non atténuée de la même manière que la lumière bleue.

Notez que dans l’océan réel, il y a une amplitude de marée allant jusqu’à 3 m. Ainsi, par exemple, les coraux vivant à 5 m de profondeur à marée haute sont baignés dans un spectre de 2 m de profondeur à marée basse.

1-3. Types de chlorophylles (pigments photosynthétiques)

Le spectre d’absorption est un graphique montrant les longueurs d’onde requises (absorption) et non désirées (réflexion). En prenant la chlorophylle c comme exemple, la longueur d’onde autour de 450 nm peut être interprétée comme absorbant (en utilisant) le plus et réfléchissant (en n’utilisant pas) les autres longueurs d’onde. En outre, les longueurs d’onde réfléchies représentent le rendu des couleurs du colorant, de sorte que la chlorophylle c apparaît jaune (vert + rouge). La chlorophylle a et la chlorophylle b sont les principaux pigments photosynthétiques des plantes terrestres.

La chlorophylle c est un pigment photosynthétique que possèdent les zooxanthelles et les diatomées. Elle absorbe la lumière bleue la plus profonde aux alentours de 450 nm et nécessite peu de lumière rouge profonde.
Comme les coraux (zooxanthelles) possèdent des chlorophylles a et c ou les deux, les coraux avec c n’ont pas besoin de lumière rouge profond, mais les coraux avec seulement a doivent également être exposés à une lumière rouge profond pour que la photosynthèse se produise normalement. La chlorophylle d est un pigment photosynthétique que possèdent les bactéries.

Par ailleurs, vous pouvez observer la chlorophylle à partir de sources familières. Par exemple, vous pouvez extraire la chlorophylle en dissolvant du thé en poudre ou de la laitue de mer séchée dans de l’alcool. Et comme la chlorophylle présente une fluorescence, vous pouvez l’observer en rouge lorsqu’elle est exposée à une lumière UV.

1-4. Spectre d’absorption des zooxanthelles

Le spectre d’absorption des zooxanthelles est le spectre combiné de chaque colorant photosynthétique. Comme il absorbe les rayons UV à la lumière cyan et les longueurs d’onde du rouge profond d’environ 670-680 nm, il a un aspect brun rougeâtre.
Le carotène/fucoxanthine/péridinine est un type de caroténoïde qui fonctionne comme un pigment auxiliaire pour la photosynthèse et est principalement de couleur brune (orange/brun/rouge). La chlorophylle a et la péridinine émettent une fluorescence à une longueur d’onde rouge profond d’environ 680 nm lorsqu’elles sont exposées à une forte lumière (excès de lumière photosynthétique), qui serait recyclée pour la photosynthèse de la chlorophylle a.

La fluorescence de la chlorophylle par les microalgues et les algues corallines réagit à la lumière UV sur la roche vivante la nuit dans une couleur rouge-noir (mais la luminescence rouge vif est due à la protéine fluorescente rouge RFP des algues calcaires).

Le corail transfère aux zooxanthelles l’azote et le phosphore provenant de la mer, et les zooxanthelles utilisent les pigments photosynthétiques et les pigments auxiliaires mentionnés ci-dessus pour effectuer la photosynthèse transférer l’énergie générée au corail.

La couleur des zooxanthelles est généralement considérée comme marron. Et le pigment vert qui est visible à l’intérieur des zooxanthelles est la chlorophylle a. Pouvez-vous le voir ?

2. Connaissances requises pour la gestion de la couleur du corail

2-1. Spectre des protéines fluorescentes

Les protéines fluorescentes émettent de la lumière dans le spectre d’émission (ligne pleine) lorsqu’elles sont exposées à une longueur d’onde d’excitation (ligne pointillée). La longueur d’onde d’excitation de pointe est la longueur d’onde d’émission maximale. Les protéines fluorescentes sont abrégées en FP, et si vous leur attribuez la première lettre de chaque couleur, elles sont BFP (Blue Fluorescent Protein), CFP (Cyan Fluorescent Protein), GFP (Green Fluorescent Protein), et RFP (Ped Fluorescent Protein).

Fluorescent proteins emit light in the emission spectrum (solid line) when exposed to an excitation wavelength (dashed line). The peak excitation wavelength is the maximum emission wavelength. Fluorescent proteins are abbreviated as FPs, and if you assign the first letter of each color to them, they are BFP (Blue Fluorescent Protein), CFP (Cyan Fluorescent Protein), GFP (Green Fluorescent Protein), and RFP (Ped Fluorescent Protein).

Un spectre de luminescence est simplement une courbe de l’intensité des longueurs d’onde d’émission, tandis qu’une courbe de longueur d’onde d’excitation est une ligne reliant les points d’intensité des longueurs d’onde de pointe émises à chacune des longueurs d’onde d’excitation, appliquées en séquence par 1nm.

En prenant RFP comme exemple, la longueur d’onde d’excitation est appliquée en séquence à partir de 350 nm, et au début le spectre d’émission devient l’intensité d’émission de B lorsqu’il approche 450 nm au point B1, puis à 500 nm à la longueur d’onde d’excitation A, le spectre d’émission atteint l’intensité maximale de A, et ensuite à 530 nm à la longueur d’onde d’excitation B2, le spectre d’émission devient à nouveau l’intensité d’émission de B. Ainsi, l’extrémité gauche de la courbe de longueur d’onde d’excitation est la « longueur d’onde de départ » et l’extrémité droite de la courbe de longueur d’onde d’excitation est la « longueur d’onde limite de désémission ».

Maintenant que vous comprenez comment interpréter les longueurs d’onde d’excitation des protéines fluorescentes, regardez à nouveau le graphique ci-dessus. Il est possible d’interpréter que les protéines fluorescentes des coraux se présentent sous différentes couleurs d’émission, telles que BFP, CFP, GFP et RFP, et que chaque protéine fluorescente nécessite une gamme de longueurs d’onde différente. (En général, les longueurs d’onde sont plus courtes de 50 à 100 nm que la couleur d’émission requise.) Par conséquent, la BFP/CFP nécessite un UV d’environ 400 à 420 nm, la GFP nécessite une lumière bleue, et la RFP nécessite une lumière bleue ou verte.

Ainsi, une intensité de longueur d’onde suffisante dans la gamme de 400-500 nm est nécessaire pour exciter et émettre pleinement toutes les protéines fluorescentes d’un corail. Cette bande d’excitation de toutes les protéines fluorescentes est appelée « Wide-Band-Blue« .

Pour être sûr, nous vous montrons les données qui valident la nécessité du Wide-Band-Blue. Il s’agit d’un spectre d’excitation calculé sur la base des spectres mesurés de chaque protéine fluorescente. Cette mesure et ce calcul nécessitent des équipements et des techniques spécifiques.
En conclusion, la lumière bleue générale était suffisante pour l’excitation des PFG/PFJ/PFP, mais la bande UV de 400-430 nm s’est avérée essentielle pour l’excitation des PFB/PFP.

Par conséquent, nous devons créer un environnement photonique avec Wide-Band-Blue pour accueillir de manière adéquate les différentes protéines fluorescentes du récif.

Cependant, jusqu’à présent, l’importance des UV n’était pas bien connue, car seules la GFP et la RFP étaient reconnues par le public comme des couleurs fluorescentes dans les coraux. En outre, les émetteurs UV-LED sont très chers et peuvent faire fondre la lentille si le produit n’est pas conçu avec soin, de sorte que les fabricants d’aquariums n’ont pas été très actifs dans l’adoption des émetteurs UV-LED. En conséquence, les produits LED généraux pour aquariums, seule la lumière bleue de 450 nm est très forte et la lumière UV est très faible.

Ensuite, pour garantir un bleu à large bande, vous devez ajuster les 5 canaux de votre lumière LED (UV 400nm/Violet 420nm/DeepBlue 450nm/Blue 470nm/Cyan 500nm) à la même intensité de longueur d’onde. Pour la plupart des lumières LED, vous devrez affaiblir considérablement le canal 450nm. De plus, si vous avez une lampe LED qui n’a pas de canal UV, vous pouvez ajouter une lampe spot UV.

Conseil n°1 : à quoi ressemble un corail irradié par des LED blanches, UV-400 nm et UVA- 370 nm.

Lors de l’observation de l’émission fluorescente des coraux dans une mare de marée la nuit, l’UVA 370nm permet d’observer des couleurs de fluorescence pure sans interférer avec la vision des couleurs de l’œil humain. En utilisant l’UV 400nm, l’objet sera teinté de violet et très difficile à voir.

2-2. Visibilité des protéines fluorescentes d’émission

Lorsque la RFP est irradiée avec chaque longueur d’onde d’excitation, l’intensité de la luminescence est comme indiqué dans la figure, avec la relation 370nm<450nm<500nm, où la RFP émet plus fortement. Cependant, lorsque la RFP est effectivement irradiée avec chaque longueur d’onde d’excitation, la RFP apparaît à l’œil humain comme une intensité d’émission inversée avec la relation 370nm>450nm>500nm.

Cela est dû à l’effet de la « visibilité relative« . Même si le RFP émet à l’intensité maximale A, avec une lumière d’excitation verte, la pupille est rétrécie pour correspondre à la lumière d’excitation verte car la lumière d’excitation verte apparaît 10 fois plus brillante à l’œil humain. A l’inverse, lorsqu’il est exposé à une lumière d’excitation de 370 nm, l’intensité de la luminescence est la plus faible C. Cependant, comme la lumière d’excitation de 370 nm est invisible pour l’œil humain, la pupille s’ouvre pour correspondre à l’émission rouge de la RFP. Par conséquent, l’œil humain semble émettre plus intensément que la lumière d’excitation verte. Si vous comprenez cela, vous pouvez éviter l’interprétation erronée selon laquelle la lumière de 370 nm est plus efficace que la lumière bleue dans les RFP en croissance. Bien sûr, la lumière bleue est plus efficace que la lumière 370 nm pour la culture des DP, et la lumière verte est plus efficace que la lumière bleue.

Conseil n°2 : Spectres de fluorescence de la PFA et de la PCP du corail mesurés dans un bassin de marée la nuit.

Avec un spectromètre dans un boîtier étanche et une lampe de poche UVA 370 nm, le spectre de fluorescence du corail peut être mesuré dans une mare à marée la nuit. D’autre part, la lumière du jour interfère avec les mesures de jour, de sorte que la mesure de la faible émission de fluorescence sera très difficile.

2-3. Spectre d’absorption des chromoprotéines

Fondamentalement, la plupart des chromoprotéines ont un pic d’absorption à la lumière ambrée autour de 600 nm, donc quelle que soit leur couleur, la première et importante étape est de les exposer à une lumière qui contient beaucoup de lumière ambrée. Comme la lumière ambrée est également contenue dans les LED blanches en général, les LED d’eau douce sont également efficaces, mais pour les Chromoprotéines des coraux, en particulier dans les eaux peu profondes, non seulement la longueur d’onde mais aussi l’intensité de la longueur d’onde (intensité lumineuse) est importante.

Les couleurs rose et rouge de Pocillopora, Seriatopora et Stylophora sont des chromoprotéines et le bleu foncé boueux d’Acropora muricata et d’Acropora tenuis est également une chromoprotéine (mais le bleu scintillant d’Acropora muricata et d’Acropora tenuis sont des protéines fluorescentes). En général, les couleurs qui ne répondent à aucune des longueurs d’onde d’excitation peuvent être interprétées comme des Chromoprotéines. Contrairement aux protéines fluorescentes, les chromoprotéines ont simplement besoin de la longueur d’onde de la couleur pour leur rendu de couleur (coloration).

Conseil n°3 : Les protéines fluorescentes des coraux émettent-elles de la lumière lorsqu’elles sont séchées ?

La protéine fluorescente est stable, donc même si les morceaux de corail sont séchés, la protéine fluorescente peut encore émettre lorsqu’elle est exposée à une lumière d’excitation ! Cependant, lorsqu’un corail meurt, la protéine fluorescente est généralement décomposée avec les cellules, donc le squelette du corail mort n’émet pas de lumière lorsqu’il est éclairé par la lumière d’excitation.

2-4. Résumé de la gestion de la couleur du corail

Lorsqu’il s’agit de la gestion de la couleur des protéines fluorescentes des coraux, il faut les exposer à une longueur d’onde d’excitation qui leur permet d’émettre une fluorescence, sinon elles ne peuvent pas être visualisées. De plus, les coraux forment inévitablement des protéines fluorescentes en réponse à la présence d’une longueur d’onde d’excitation. Ainsi, si la longueur d’onde d’excitation est supprimée, le corail ne formera pas de protéines fluorescentes, ce qui signifie qu’il s’éteindra. Par exemple, la BFP/CFPqui fonctionne comme une défense contre les ultraviolets, s’efface lorsqu’il n’y a pas de lumière UV, et la RFP, qui fonctionne comme une aide photosynthétique, s’efface également lorsqu’il n’est plus nécessaire de la former sous une lumière ambiante suffisante.

En ce qui concerne la gestion des couleurs de la chromoprotéine dans les coraux, le pigment doit être exposé à une longueur d’onde minimale de rendu des couleurs avant de pouvoir être visualisé (par exemple, une lumière bleue pour la chromoprotéine bleue et une lumière rouge pour la chromoprotéine rouge). En outre, si la longueur d’onde d’absorption maximale (580-600 nm) d’une chromoprotéine n’est pas suffisamment exposée, elle ne pourra pas former une intensité de couleur (c’est-à-dire qu’elle s’estompera). Cependant, comme les coraux ayant des chromoprotéines bien colorées vivent dans des eaux peu profondes, il est plus important d’assurer l’intensité de la lumière qu’une question de longueur d’onde.

En résumé, il est important d’adapter les longueurs d’onde à l’environnement fermé de l’aquarium en fonction du spectre récifal dans lequel vit chaque corail, ainsi que de compléter l’intensité des longueurs d’onde en fonction des besoins de chaque corail.

Sources et remerciements :
M. Koji Wada, aquariophile emblématique, Japon.
M. Eiji Myorin, chercheur scientifique sur les coraux, Japon.
Dr. Masato Ueda, Université du Kansai, Japon.
Dr. Takuma Mezaki, Fondation de recherche biologique Kuroshio, Japon.
©2021

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