In chimica la bioluminescenza è un fenomeno per cui organismi viventi emettono luce attraverso particolari reazioni chimiche, nel corso delle quali l'energia chimica viene convertita in energia luminosa.

La bioluminescenza è legata soprattutto agli organismi marini a volte tassonomicamente distanti tra loro (Ctenofori, Anellidi, Molluschi, Pesci, Dinoflagellati), ma riguarda anche animali terricoli, ad esempio insetti, come i coleotteri delle famiglie Lampyridae (lucciole) o Phengodidae (i cosiddetti "vermi luminosi", in riferimento alle loro larve, come per esempio Phrixothrix hirtus) e funghi (Omphalotus olearius, Gerronema viridilucens, specie appartenenti al genere Mycena).

Negli organismi marini gli organi produttori di luce prendono il nome di fotofori e sono presenti soprattutto nei pesci, nei cefalopodi, negli cnidari dell'ordine Siphonophora e in altri invertebrati viventi nel Piano batiale e nel Piano abissale nonché in numerosi organismi batipelagici.

Il fenomeno della bioluminescenza è diffuso anche in molti batteri, alcuni dei quali (es. Vibrio harveyi) originano l'effetto "milky sea" (mare di latte) che si verifica soprattutto nell'Oceano Indiano, dove il mare assume una luminescenza intensa tale da conferirgli il colore bianco del latte.

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