植物生物电信号中的内源性昼夜节律：公共展览中的跨站复制与访客驱动抑制

《Biomimetics》：Endogenous Circadian Rhythms in Plant Bioelectric Signals: Cross-Station Replication and Visitor-Driven Suppression in a Public Exhibition

　　

研究人员报告了植物生物电电压中内源性昼夜节律的跨站复制，在瑞士迪蒂孔的公共科学展览（Ph?nomena，2026年3月至4月）中，三个独立传感器站连续记录了42天。三个报春花（Primula vulgaris）站配备了定制的Biolingo生物电传感器（ESP32 + AD8232），并在约21,000次访客互动中自主记录。研究人员从5–10秒电压窗口（n = 78,431个经过质量过滤的文件）中提取了直流不变（DC-invariant）频谱特征，并拟合了带有自助法（bootstrap）95%置信区间的两阶段余弦模型（cosinor model）。所有三个站均在1–5 Hz频带功率（bp_1–5）中显示出稳健的24小时节律，峰谷幅度介于中值（mesor）的0.35倍至1.19倍之间（中位R²（R²_med）为0.72–0.87）。峰值相位（acrophase）在各站之间变化，从当地时间05:00到11:00。关键的是，该节律在所有三个站的仅夜间限制（18:00–09:00，无访客）条件下仍存在，排除了访客存在作为节律驱动因素的可能性。访客最密集的站（博物馆访客面部触发情绪识别装置）还显示出与展览于09:00开放同时发生的白天振幅急剧下降，该时段持续有访客存在。这种时间上的巧合与一项配套研究中在单受试者分辨率下表征的心血管-机械感觉耦合（cardiovascular-mechanosensory coupling）一致——尽管本身并非其证据。研究人员认为，bp_1–5——与植物动作电位活动最直接相关的频谱带——在报春花中携带内源性昼夜节律信号，并且该站级信号与持续的附近人类存在共变，其方式与频率选择性机械感觉耦合一致，尽管观察性设计无法确立这一机制。从仿生学（biomimetic）视角来看，这表明植物进化出的生物电感应装置可能被用作附近人类活动的活体环境生物传感器，补充了在合成装置中复制植物感应的更常见仿生方法。

植物生物电信号中的内源性昼夜节律：跨站复制与公共展览中的访客驱动抑制——论文解读

**研究背景、问题与目的**

植物昼夜节律在分子和生理层面已得到充分确立，例如拟南芥（Arabidopsis thaliana）中的CCA1/LHY/TOC1转录反馈环路驱动约24小时的基因表达、气孔开度及光合能力振荡。然而，这一节律是否在群体尺度下、在自然化非受控环境中的植物长期生物电活动中表现，此前研究甚少。现有生物电昼夜节律研究多基于实验室条件、单株或小样本，并使用受控光周期，虽提升了统计效力但生态效度有限。同时，植物电生理学领域已证明植物电压可携带附近人类活动信息，但内生基线节律在公共展览部署下尚未被表征。本研究旨在回答两个问题：（1）植物电压信号是否呈现跨独立站复制的24小时节律，并在去除访客时间后仍存在？（2）在访客密集的站能否检测到该内生节律被持续人类存在所调节，从而在群体尺度上检验机械感觉耦合假说？

**研究方法与结论**

研究人员利用瑞士迪蒂孔Ph?nomena 2026公共科学展览的“Stille Signale”装置，在42天（2026年3月3日至4月20日）内部署了三个独立传感器站（灯站、声音站、情绪站），每个站配备一株报春花（Primula vulgaris）和定制Biolingo生物电传感器单元（ESP32 + AD8232）。展馆为临时充气大厅，无直接窗户，人工照明和温度呈昼夜变化。植物约每7–10天更换，研究单元为站而非个体植株。三个站共产生104,224个原始记录，经质量过滤后保留78,431个文件（灯站26,584、声音站14,386、情绪站37,461）。主要关键技术方法包括：（1）DC不变频谱特征提取（标准差、四分位距、0–1 Hz频带功率、1–5 Hz频带功率、过零率），其中1–5 Hz频带（bp_1–5）因直接对应植物动作电位活动而被重点分析；（2）两阶段余弦模型拟合：先计算每小时中位数，再对24个中位数进行最小二乘余弦拟合，报告幅度和相对幅度（rel_amp = 2A/|M|）及中位R²（R²_med），并通过全数据F检验评估统计显著性；（3）逐日z分数归一化以分离昼夜节律与电极漂移；（4）仅夜间子集（18:00–09:00，展览关闭无访客）作为数据集内复制检验。样本来源为公共展览中的自然访客人群（日均约500人），未进行主动环境控制。

**研究结果**

**4.1 数据集特征**：过滤后78,431个文件，灯站和声音站记录均匀分布于24小时，情绪站因应用架构仅记录在17个活跃天，但每日密度更高。

**4.2 bp_1–5 昼夜节律：跨站复制**：三个站均显示稳健的24小时节律。相对幅度（rel_amp）在0.35倍（声音站）至1.19倍（情绪站）之间，R²_med在0.72至0.87之间，所有p < 10^?100。峰相位存在约6小时跨度（情绪站05:00，声音站07:00，灯站11:00）。该节律在仅夜间子集中仍存在且幅度可比，排除了访客驱动假说。R²_med在夜间子集中反而改善（灯站0.90，声音站0.78，情绪站0.87），表明排除访客时段后的基础节律更接近正弦波。

**4.3 情绪站的白天抑制**：情绪站在09:00（展览开放）出现bp_1–5功率急剧下降，中位功率从08:00的约1.5×10⁶降至10:00的约8×10⁵，降幅约50%，并持续抑制至17:00（闭展），随后夜间恢复至约05:00峰值。该模式在灯站和声音站未出现。逐日热图显示抑制一致出现在每日09:00–17:00，不受星期或天气影响。恢复始于17:00闭展时间，而非光相关时间。

**4.4 其他频谱特征**：标准差（std）和四分位距（iqr）显示出类似但较弱的节律，峰相位与bp_1–5相差1–2小时。0–1 Hz频带功率（bp_0–1）节律较弱（rel_amp ~0.3–0.6×，R²_med ~0.65–0.80）。过零率（zcr）呈现反相位节律，峰相位在16:00–18:00，与bp_1–5高功率状态（低频主导）对应低zcr，反之亦然，独立证实了该昼夜结构。

**讨论与结论**

讨论部分指出，跨站复制是支持节律为站属性的最强证据，但站级节律可能部分受局地环境因子（温度、光照）影响，需受控单株记录以确立生物体内源性。夜间存活检验排除了访客驱动，但无法区分内源时钟与其他昼夜输入。站间相位变化（6小时跨度）可能源自站特异性光照环境、植物更换时间或站特征刺激对植物时钟的直接效应（情绪站因持续近距离访客可能通过机械感觉耦合偏移峰相位）。情绪站的白天抑制被谨慎解释为与配套研究中的心血管-机械感觉耦合一致的群体尺度模式，但观察性设计无法确立因果机制；配套研究在单受试者高分辨率下已建立人类心率的完全中介效应（通过44–75秒STFT频带的34秒整合延迟）。灯站和声音站因访客互动时间短（<30秒）未出现抑制，而情绪站持续30–60秒的近距离接触提供了足够积分时间。实验室硬件干扰被排除，因所有站使用相同屏幕和摄像头且全天运行。仿生学意义：本工作扩展了植物感应（phytosensing）方法，将活体植物作为低成本的分布式环境生物传感器（每站植物成本约5瑞士法郎，硬件约300瑞士法郎），可检测人类存在和心血管活动，并与合成仿生传感器形成互补。局限性包括：单一物种（报春花）、植物更换、电极污染、单季节单地点、记录密度不均、未直接测量访客密度和环境协变量。

**研究结论翻译**：研究人员已经证明，在报春花中，植物生物电电压的1–5 Hz频带功率表现出稳健的24小时节律，并在公共展览的三个独立传感器站中复制，在排除访客存在的仅夜间限制条件下仍存在。该节律在各站间的峰到谷幅度介于中值的0.35倍至1.19倍之间，R²_med在0.72至0.87之间。各站峰相位从05:00到11:00变化，表明存在站特异性牵引效应，值得受控条件后续研究。访客最密集的站还显示出该节律的急剧白天抑制，始于09:00（展览开放）并在17:00（展览关闭）后恢复，与配套研究中单受试者高分辨率报告的心血管-机械感觉耦合一致。由此产生了三项方法学贡献：首先，使用DC不变特征避免了原始电压昼夜分析中的慢漂移混杂；其次，两阶段余弦模型将“形状”问题与“可检测性”问题分离；第三，数据集内仅夜间限制提供了一个强大的合理性检验。未来工作应在受控实验室环境下复制更多物种，通过屏蔽实验群体尺度测试机械感觉假说，并通过匹配光周期的受控多站部署研究相位变化。植物具有昼夜节律并非新发现，但通过公共展览中的机会性记录在群体尺度上检测到这些节律，它们与附近人类存在和心血管活动共变且与机械感觉耦合一致，且所有这一切均使用低成本开源生物电传感器观察到——这是本研究做出的贡献。从植物昼夜节律本身出发，这些发现将活体植物定位为自然环境中人类存在和心血管信号的有前途的候选仿生传感器，指向一个利用现有观赏植物作为分布式环境生物感应层的建成环境愿景。