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适者降临：自然如何创新 [:1700254204]
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适者降临：自然如何创新
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适者降临：自然如何创新 Y aMoR是一种仍处于实验阶段的新式模块机器人，组块之间以铰链相互连接。它既能组成类似千足虫的直线结构，蠕动前行；也能模仿两栖动物的四肢结构，匍匐前进；甚至可以模拟昆虫爬行。模块中的电脑芯片让它能够被重复编程，每一个模块都是智能的，类似于人类的大脑。只要方法得当，模块机器人就可以通过优化自身的设计应对不同的问题。
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作为世界顶尖的理工学院之一，瑞士洛桑联邦理工学院设计生产的YaMoR是蒸蒸日上的模块机器人家族中的新成员。目前世界上许多工程学实验室都专注于研制模块机器人，种类众多。但由于适用的条件不同，这些机器人往往风格迥异，相互之间缺乏相似性。有的模块机器人像方形的骰子，有的则像金字塔。还有一些由成群的球体构成，另一些则像成串的轮胎。类似YaMoR的模块机器人在外形设计上几乎百无禁忌，各种立体几何造型应有尽有。
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在YaMoR机器人跨出第一步的5.4亿年之前，自然界就已经发生过一次形态设计的百家争鸣了，我们把那场生物性状的爆炸式起源称为寒武纪大爆发（cambrian explosion）。我们今天看到的所有形态的生物都诞生于那场爆发，而有更多的物种则已经消失在历史长河中，比如所有身体分节、没有四肢的古虫动物（vetulicolia）。与古虫动物门生物相比，以YaMoR为代表的模块机器人显得非常原始。如果推动自然进化的曲速引擎同样能够在人类工程技术中大显神威，那么第二次寒武纪大爆发似乎也就值得期待了。
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我们将会看到，促进自然进化的基因型网络在人类技术进步中同样存在，并不是什么天马行空的想法。自然进化和技术创新拥有诸多共同点。
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大自然和人类技术发展都依赖于不断试错。作为天才发明家的代表人物，爱迪生曾经“尝试不下6 000种不同的植物，才找到世界上最适合制作灯丝的材料”。他最终在无意间发现竹子是解决白炽灯泡灯丝易断问题的最佳答案，对于这段经历，爱迪生自己也感慨万千，其中一条总结是：“我并没有失败那么多次。我不过是成功找到了一万种不适合的材料而已。”这句名言无疑说明了“试错”对于技术发明而言的重要性，而对于生物学也一样。
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试错不管是在当下还是在爱迪生生活的年代都意义非凡。著名的编程语言FORTRAN曾经帮助科学家模拟从原子到星系的运行规律，为人类理解宇宙立下汗马功劳。FORTRAN的创始人之一约翰·巴克斯（John Backus）曾说：“你必须有随时失败的觉悟。你费尽心力，提出许多不同的想法，然后努力求证，但是结果往往会发现它们都行不通。在偶然发现一个可行的办法之前，你要不断重复这个过程。”
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诚然，就失败所蒙受的代价而言，生物进化比一个研究灯泡材料的发明家或者研究理论的科学家要惨重得多。以大雁为例，大雁体内的血红蛋白变体不啻于大自然所做的一场生存实验。如果变异的结果是血红蛋白从稀薄的空气中摄取氧气的能力提升，那么成功。但如果结果是血红蛋白失去携氧能力，那么这种变异连同这个个体就将落入万劫不复之地。
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理论科学和工程技术中的失败通常不会有致命的危险，但是错误的观点也往往没有那么容易被澄清。著名的天文和天体物理学家弗雷德·霍伊尔爵士（Sir Fred Hoyle）直到2001年去世都拒绝接受宇宙大爆炸理论，不仅如此，他还为流感理论辩护，认为流行性感冒是太阳风减弱时外星病毒侵入地球大气所致。19世纪的开尔文勋爵曾经用热力学定律以及他的基督教信仰作为测算地球年龄的依据，结果得出的结论只有地球实际年龄的数百分之一。
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科学和技术的修罗场上从来不缺充斥着错误信念的聪明脑瓜，而且那些人往往至死不悟。量子物理的创始人之一马克斯·普朗克（Max Planck）曾经颇有洞见地表示：“科学理论的胜利往往建立在异见者的坟墓之上，而不是他们的皈依，下一代人成长过程中耳熟能详的理论即他们认为的真理。”科学就像大自然，总是随着丧钟的节拍翩翩起舞。
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巧合的是，大自然抵抗致命错误的秘诀之一恰好被技术发明领域所借鉴：人海战术。探索自然图书馆的生物不止一个，同样的道理，每一项重要的发明也不是某个天才孤军奋战的成果。尽管从在浴缸里泡澡的阿基米德到在专利局上班的爱因斯坦，每个伟大的科学家脑海中的世界对大多数人而言都难以想象，但是如同有成群的生物涌入生物进化的各色化学图书馆一样，科学和技术创新的另一个真相是它们的进步需要密集的资源投入。开发FORTRAN需要众人通力合作，而爱迪生在研制灯泡、电话和电报机的时候也借助了数十名助手的协助。
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19世纪的工业革命更是某个新兴阶层崛起的结果，这个阶层的成员主要是受过优质教育的技工，而不是衣冠楚楚的贵族科学家。这些手艺人为了提高生产效率发明了一系列新技术，包括蒸汽机和自动织布机。时至今日，任何新技术的发明，从新款手机到新式药物，抑或新型能源，都需要大量的科学家和工程师经过激烈的竞争和无数次的失败才有可能成功。从这些例子来看，如果没有试错的过程，我们很难想象有更合理的成功方式：参与的人越多，尝试的可能性也就越多，相应成功的概率也就越高。
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与自然界类似，技术和科研人员们总是同时行军在各自领域的最前线。提出过“行为榜样”（role model）和“自我应验预言”（self-fulfilling prophecy）概念的美国社会学家罗伯特·默顿（Robert Merton），因他对于科学理论多起源的归纳而被科学界铭记。默顿把同一个理论的不同起源直接称作“多起源”（multiples）。类似的例子举不胜举：气体温度和压力之间的关系在英语国家被称为波义耳定律，而在法语国家则被称为马略特定律，因为罗伯特·波义耳（Robert Boyle）和埃德姆·马略特（Edme Mariotte）分别通过自己的工作独立发现了这个规律。
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罗伯特·富尔顿（Robert Fulton）、马奎斯·德朱弗若依（Marquis de Jouffory）和詹姆斯·拉姆齐（James Rumsey）都是蒸汽船的“设计者”；温度计更是至少有6名不同的发明者。更广为人知的例子是微积分，它几乎由牛顿和莱布尼茨两人同时提出；而伊莱沙·格雷（Elisha Gray）则与格拉汉姆·贝尔（Graham Bell）在同一天申请了电话机的专利（尽管最后还是贝尔赢得了法律仲裁的专利权）。
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科研以及技术多起源的现象之所以存在，是因为科学问题与自然界的生命一样，同一个问题通常有多种解决途径。最典型的例子也是科学家研究较为充分的一个问题：生物学家称之为碳固定，而工程学家称之为碳脱除，研究的关注点都是如何除去大气中的二氧化碳。生物除碳的中流砥柱是一种植物酶，它能够把二氧化碳连接到一种名为1，5-二磷酸核酮糖的糖分子上。一旦结合，二氧化碳就会成为新分子的一部分并参与接下来的代谢反应，并最终成为植物实体的一部分。这个过程不仅可以促进植物生长，让今天的我们能够用上化石燃料，它也是碳元素在生物圈和非生物圈循环的方式。
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不过自然界并不是只有植物拥有固定碳的能力，某些细菌能够用乙酰辅酶A，而另一些则可以利用三羧酸循环中的某些中间代谢产物固定二氧化碳。试图阻止气候变暖的环境工程师也在研发更先进的碳脱除技术，比如利用乙醇胺或氢氧化钠分子固定二氧化碳。
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默顿的多起源理论在许多其他例子中也适用。汽车的发动机可以是往复活塞式，也可以是偏心转子式。汽车的燃料燃烧可以靠汽油发动机的火花塞来触发，也可以用柴油发动机的压缩热来触发。生物可以用灵活的单眼感知光线，也可以借助复杂精致的眼球感知光线。生活在极圈的鱼类体内的抗冻蛋白前身是不同酶的晶体蛋白及高度多样化的携氧球蛋白，都是生物对于同一个问题的多种解决方式。
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科学技术和生物创新的另一个共同点是擅长废物再利用，这在技术发明的历史上体现得淋漓尽致。根据作家斯蒂芬·约翰逊（Stephen Johnson）的记述，约翰内斯·古登堡（Johannes Gutenberg）发明印刷术的契机是他从别人那里借来的一台机器，那台机器配有螺旋传送装置，在设计之初是用来给客人上酒的，而古登堡对它做了改装使它成为驱动新媒体运转的高效引擎。用于加热食物的微波炉技术最早来自雷达：一名雷达工程师在微波融化了他口袋里的一条巧克力棒后发现了微波的加热功能，最初投入商业使用的产品名称正是“雷达炉”。
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轻质合成材料凯夫拉（Kevlar），发明的初衷是用以替代赛车轮胎上的钢质材料，而现在则大量应用于防弹背心和钢盔的制造。还有一些甚至都称不上“创造”的普通装置也是“旧瓶装新酒”的产物，比如两个锯木架上摆上一块门板就是一张粗糙的桌子；一只靴子也可以当简易的制门器使用；牛奶箱同时也是上好的档案柜，等等。爱迪生说得好：“想要创造，你需要先有想象力和一堆无用的垃圾。”
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1982年，古生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德和伊丽莎白·弗尔巴（Elizabeth Vrba）把生物学中的这种现象正式命名为“扩展适应”（exaptation）。事实上，达尔文才是这方面的引领者，他在《物种起源》中就提醒读者，“某个针对特定目的构建的器官可能出于适应更多功能的目的而发生改变”。扩展适应最经典的例子是鸟类的羽毛，构成鸟类羽毛的主要成分与构成爬行动物的鳞片的成分相同，是一种被称为角蛋白（keratins）的致密纤维蛋白。羽毛最初的功能很可能是保温和防水，后来才演变（或者说“扩展”）为用于飞行。