Avant de commencer, définissons ce qu'est la lumière : la lumière est une onde électromagnétique (avec une fréquence en hertz et une longueur d'onde nommée lambda), qui possède à la fois une nature corpusculaire et ondulatoire. En effet, bien qu'elle se caractérise par une onde, certaines observations montrent qu'elle se comporte également comme un ensemble de particules, qui seront nommées « quanta », ou « quantum » au singulier. Les particules transportant ces quanta sont appelées photons, des particules de masse nulle ayant une vitesse de 300 000 km par secondes, ce sont les particules les plus rapides connues à ce jour.

Lorsqu'un photon rencontre un électron, celui-ci est poussé vers un niveau d'énergie supérieur. Mais la nature n'aime pas le désordre, alors l’électron va chercher à retourner à son état fondamental et ainsi réémettre le photon qu'il avait absorbé. Cela se traduit par le déplacement de la lumière d'électron en électron, ce qu'on appelle un rayonnement.

 La réaction enzymatique qui créé de la bioluminescence se produit au niveau des cellules glandulaires. La lumière produite est émise par l’organisme pluricellulaire vers l’extérieur à travers la peau. Elle peut être intensifiée par des matériaux réfléchissants tels que les cristaux d’urate chez les lucioles ou encore les plaques de guanine chez certains poissons.

Ainsi, la bioluminescence intracellulaire est créé par des cellules glandulaires du corps d’un organisme pluricellulaire appelées photocytes et peut être modifiée par des organes lumineux situés au niveau de l’épiderme : les photophores (qui peuvent être très simples comme très complexes). Quand elle est créée par des photocytes, la réaction luminescente a lieu dans les cellules. On peut donc qualifier ces cellules de photoémettrices (ces cellules peuvent se situer partout dans l’organisme ou bien se concentrer dans les photophores).

Les photophores sont des organes dont le rôle est de modifier l’émission lumineuse. Ils peuvent posséder des écrans, des lentilles, des cellules glandulaires ainsi que des bâtonnets qui orientent la lumière vers une grosse cellule unique jouant le rôle de cristallin.

La couleur peut être modifiée par un filtre coloré composé de cellules pigmentaires (filtre d’absorption) ou par des couches réflectrices qui ne laissent passer que certaines longueurs d’ondes.

Chez les animaux marins la majeure partie de la présence de bioluminescence provient de photophores. Les céphalopodes (mollusques marins carnassier et munis d’une couronne de tentacules, exemple : poulpe, seiche…) en possèdent d’ailleurs une grande variété. C’est également le type de bioluminescence de plusieurs espèces de calamars.

Calamar bioluminescent :

La réaction :

Le mécanisme chimique de ce phénomène a été mis en évidence par Raphaël Dubois lors d'une expérience qu'il a effectuée sur des lucioles au siècle dernier. 
L'étude de ce système biochimique a montré que la réaction implique la luciférine comme substrat et de la luciférase comme enzyme. La luciférine est un nom générique car la formule de la molécule peut varier selon les espèces. La lumière émise par ces organismes n'est visible que lorsque le maximum d’absorption du spectre lumineux (noté λ max) se situe dans le domaine du visible, c'est à dire entre 400 et 800 nm pour l'homme. Par ailleurs, certaines espèces produisent une lumière à une longueur d'onde invisible pour la plupart des autres espèces.

Explications :

Au début de la réaction, l'ATP (adénosine triphosphate) se lie avec le substrat (la luciférine) après avoir été liée avec l'ion magnésium. Ici, le complexe MgATP sert de support à la luciférase.

Ensuite la luciférine va réagir avec l'enzyme (la luciférase) et donner une forme intermédiaire, la luciférine adénylate. On a, par la même occasion, une libération de pyrophosphates.

Sur ce complexe, l'oxygène va réagir en donnant l'oxyluciférine, un peroxyde qui va rapidement se cycliser après une libération d'AMP (adénosine-5'-monophosphate)

Cette molécule, dans un état électronique excité, retourne à l'état stable avec émission d'un photon (lumière) et formation de CO₂. Par la même occasion, l'enzyme se libère pour aller catalyser une autre réaction.

Si la longueur d'onde émise par cette réaction se situe dans les bleus (autour de 470 nm), c'est parce que cette longueur d'onde est celle qui se transmet le mieux dans l'océan, et qui est la mieux perçue par les pigments visuels de la plupart des organismes marins.