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伟大创意的诞生：创新自然史 一座珊瑚礁就是一个平台
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1836年4月12日，皇家海军潜艇“小猎犬号”向基林群岛告别。在历经了两周惬意的田园生活后，达尔文得到了关键证据，以支持他早期职业生涯中的第一个伟大想法。船离开了波澜不惊的绿色澙湖[1]水域，经毛里求斯岛返回英格兰。菲茨罗伊船长沿着2 000多米长的航线，探测了环礁外围海域的深度。他发现那儿深不见底，用达尔文的话来说，菲茨罗伊的测量证实了“岛屿形成了巍峨的海底高山，高山的两侧甚至比最为陡峭的火山锥还要陡”。这个数据对达尔文来说至关重要，因为他正在脑海中创建关于“巍峨的海底高山”以及其地质遗产的理论。
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早在几年前，这个理论就已经作为一个灵感浮现出来：他的导师查尔斯·莱尔的环礁形成论有个重大的缺陷，即没有解释一座山刚好下沉到只露出海平面几十厘米的概率有多高。火山岛屿的海拔变化是巨大的：有些逐渐下陷，只露出海平面几米；还有一些，如莫纳克亚山（Maunakea），则猛增上千米直入云霄。大多数火山峰位于海面以下数百米。然而，达尔文与那个时代的大多数地质学家一样，都知道海洋中居住了数量庞大的热带环礁，且都不同程度地高于海平面几十厘米。就像100个足球越界散射，其中有20个准确地聚集在39米线上。达尔文并不了解板块构造理论，但他明白，世界上的陆地有的在上升，有的在下沉。但令人不解的是，这些强大的力量，有很多都莫名地被海平面分界线遏止了。一座因地球传送带的强大力量而向上隆起的火山，本应该迅速冲出海面并继续攀升，就像莫纳克亚山和无数的其他火山岛那样；同理，一座向海底下沉的山也应该持续下沉。为什么这么多山的活动卡住了？
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至于达尔文何时有了答案，我们并不清楚。也许站在基林群岛的白色沙滩上时，他就已经有了想法。甚至，当站在那片绿色的水域时，这个创意就渐渐地、缓缓地涌上来，其中一些小片段已逐渐清晰。创意很简单，但却难以具体化。它以一个关键原理作为开始：达尔文脚下的陆地并非地质力量的产物，而是由一种生物构成。
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这种生物就是石珊瑚（Scleractinia），俗称造礁珊瑚。一条活着的石珊瑚虫是柔软的水螅体，长度不超过几毫米。石珊瑚群居生长，新的珊瑚虫会出现在“父母”两侧的肉芽上。珊瑚对海洋生态系统的重要贡献发生在死亡之后，这是海洋生物的一种奇特而又出乎意料的结果。珊瑚虫活着的时侯，建立钙质骨骼，生成一种被称为霰石的矿物质，非常坚固，在宿主死亡几个世纪之后，仍然可以完好无缺。珊瑚礁就像是一座巨大的水下陵墓：上百万块骨骼组合成了满是凹痕、复杂蔓生的礁石。
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待在基林群岛的那两个星期，达尔文观察到，岛上的土壤中根本没有传统的岩石。他在日记里写道：“纵观整个群岛，每一个原子，从最微小的颗粒到大型的岩石碎片，都带着曾被有机物布局的力量影响过的印记。”这些岩石和颗粒绝大多数是霰石骨骼，是几十或几百年前死亡的珊瑚虫遗体。只是这一点就可以证明莱尔的理论是有缺陷的：如果达尔文站在休眠的海底火山的顶峰，脚下的岩石就会是由冷却的熔岩形成的玄武岩、黑曜石或浮石。这些岩石是在炽热的岩浆核心中被锻造出来的，而不是由微小的珊瑚虫分泌出来的。
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事实上，印度洋环礁的土壤成分是有机的，由珊瑚礁演变而成，并非火山活动的产物，它本身没有为环礁的存在之谜提供一个令人满意的答案。为什么珊瑚群能在距离陆地数百公里，在广阔的海洋之中形成如此完美的椭圆形状？为了解开这个谜，达尔文引用莱尔的原始理论，但增加了一个重要的转折。他使静止的图像变成了一幅动人的画面。为了了解环礁的形成过程，达尔文发现，你得想象一座火山岛缓慢地沉入大海。当火山堤岸消失在海浪之下，水中的斜坡会成为珊瑚群繁殖的主要温床，它们在约45米深的浅水区繁殖生息（珊瑚虫主要以进行光合作用的藻类为食，而这些藻类无法生存在距离阳光太远的地方）。最终，山顶沉入大海，留下了由火山口边缘界定的浅水域。因为山的沉没如此缓慢，珊瑚礁成形的速度要快于山体下沉的速度。就像过分热心的开发商一样，珊瑚群在结构上不断层叠增长，已经能够直立于火山顶端，却受到水面的限制。当最初的山峰逐渐沉入海中，老一代珊瑚礁相继死亡，却继续为生长在老珊瑚礁之上的、欣欣向荣的新珊瑚礁提供结构支撑。达尔文无法精确测量这些珊瑚礁的厚度，但他预测珊瑚化石底部的火山根基距离海面大概1 500米。100多年后，现代钻井技术证实了这个数字。
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“小猎犬号”出发时，达尔文在日记中记录并解释了这一神奇的自然习性。“我们必须将环礁视为由无数微小的建筑师打造的不朽作品，”他写道，“为了纪念那埋葬在海洋深处的、之前存在过的陆地。”
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几年后，达尔文以专题论文的形式发表了关于环礁形成的理论，这是他在科学方面的首个重大贡献，且很大程度上经受住了时间的考验。这个创意本身就是在汇集多门学科的咖啡馆里孕育出来的：为了解开谜题，他不得不同时以博物学家、海洋生物学家和地质学家的角度来思考。他必须了解珊瑚群的生命周期，观察基林群岛的岩石上有机物雕琢的微小证据，还要思考火山在海里上升与下沉的巨大时间跨度。当然，他也需要菲茨罗伊的技术专长以测量航线深度。要理解这个创意的所有复杂环节，需要一种追根究底的智慧，愿意跨越不同的学科和范围进行思考。达尔文的《乘小猎犬号环球航行》一书，记载基林群岛调查的章节描述得最棒：“当旅行家告诉我们金字塔和其他令人惊叹的、巨大规模的历史遗址时，我们感到惊讶，但与那些由各种渺小而脆弱的动物汇聚而成的山石相比较，即使是最伟大的建筑也显得微不足道。这是一个奇迹，它并没有第一时间冲击肉眼，却在沉思片刻后，冲击了理性的双眼。”
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在达尔文看来，那些“渺小而脆弱的动物”建造了一个平台。达尔文是走在碟状的山顶上，而不是踩在印度洋的海水里，因为那些动物已为他建造了可以站立的平台。但是从更深远的意义上来说，一座珊瑚礁就是一个平台：沙堤、岩面、暗礁的裂缝，创造了数以百万计的物种的栖息地，成为了一座具有无限多样性的海底都市。至今，企图精确地测算珊瑚礁生态系统所有生物种类的尝试，皆因栖息地的复杂性而遭到失败。科学家们现在相信，世界各地的珊瑚礁上生存着100万至1 000万不同种类的生物，但这些珊瑚礁仅占地球表面的1‰。这就是“达尔文的悖论”：在这些营养贫乏的水域里，竟然能够造就出这么多令人惊叹、不可思议和多种多样的生命。
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40年前，生态学家们使用“关键物种”（keystone species）这个术语，意指一种在生态系统中具有重大影响力的生物。例如，一种食肉动物是其他物种的唯一捕食者，如果它消失了，其他物种会以无法遏制的繁殖速度淹没栖息地。移走关键捕食者，栖息地就会瓦解。大约20年前，美国卡里生态系统研究所（Cary Institute of Ecosystem Studies）的科学家克莱夫·琼斯（Clive Jones）认定，生态学需要另一个术语来表述一种非常特殊的关键物种：实际创造了栖息地的物种。琼斯称这些有机物为“生态系统工程师”（ecosystem engineer）。海狸就是“生态系统工程师”的典型例子。通过啃断杨树、柳树以建造堤坝，海狸独自将温带森林转变成湿地，然后吸引并支援了一大批出色的邻居：红冠黑尾啄木鸟钻洞，将巢穴筑在枯死的树干上；林鸳鸯和加拿大雁定居到被遗弃的海狸巢穴；苍鹭、翠鸟和燕子享受着“人造”池塘的好处；连同青蛙、蜥蜴和其他缓流（slow-water）物种，如蜻蜓、蚌类和水生甲虫住在一起。就像水下的珊瑚群一样，海狸打造了一个生命体聚集的平台，能够维持惊人的多样化物种。
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平台建设，就本身而言，是一种生成性（emergent）的行为。微小的珊瑚虫并没有主动尝试创造一个水下拉斯维加斯，但尽管如此，由于稳定地劳作——以水藻为食，建造霰石骨骼，一种更高级的系统出现了。这一大片荒凉而贫瘠的海水已转化成为闪亮的活动中心。海狸建造了一座大坝，以更好地保护自己远离天敌，但这项工程又带来了新的影响，为翠鸟、蜻蜓、甲虫建设了新家。平台建造者和生态系统工程师不仅打开了相邻可能的大门，更打造了全新的场所。
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GPS与约翰·霍普金斯大学应用物理实验室
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位于马里兰州罗瑞尔市（Laurel）的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的自助餐厅，长期以来一直是就职于此的物理学家、技术人员、数学家、一流的黑客们非正式地讨论工作的场所。但在1957年10月7日周一的午餐时间，谈话异常热烈，因为周末头条新闻宣布了苏联的斯普特尼克1号人造卫星——史上第一颗人造地球卫星发射升空了。两位年轻的物理学家威廉·吉尔（William Guier）和乔治·韦芬巴赫（George Weiffenbach），正在与众人热烈地讨论斯普特尼克人造卫星可能发射的微波信号，似乎没人想在周末操心斯普特尼克人造卫星的信号是否可以被APL的设备捕获。当时，韦芬巴赫恰好正在进修微波频谱学的博士学位，他的办公室里有一台20MHz的接收器。
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吉尔和韦芬巴赫花了一下午的时间，在接收器旁收听斯普特尼克人造卫星的音频图谱。为了防范怀疑者的论调，那些人难免会质疑整个发射过程不过是一场精心设计的骗局，是宣传共产主义的产物。苏联刻意让斯普特尼克人造卫星发送容易接收到的信号：20MHz不间断的音频广播。傍晚时分，韦芬巴赫和吉尔已明确地锁定了信号。声音本身是不连贯的电子脉冲声，但此事件的背景将其转化为两个男人曾听过的最美妙的音乐。这似乎令人难以置信：坐在马里兰州郊区的某个房间里，收听来自太空的人造信号。年轻的物理学家捕获到卫星信号的消息传遍APL后，不断有人来到韦芬巴赫的门前，倾听这枚卫星的颤音。
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意识到他们正在聆听历史，吉尔和韦芬巴赫将接收器与音频放大器连接，并将信号灌录到磁带里。每一段录音都包含了时间标签。当他们收听并做记录时，他们意识到可以用多普勒效应计算卫星在太空中移动的速度。多普勒效应由奥地利物理学家克里斯琴·多普勒（Christian Doppler）于一个世纪前首次观测到，它是指当信号源或接收器处于运动状态，关于波形频率变化的可预见方式。想象一个扬声器播放一个单音，比如说中央A，其发出声波的频率是440Hz。如果你将扬声器安装在一辆汽车的引擎盖上，车子向你驶来，声波会互相堆叠而缩短彼此间的距离。当压缩后的声波传到你的耳膜时，感知频率会高于440Hz。当汽车倒退，多普勒效应会逆转，感知音调会降低至中央A以下。每当救护车响着刺耳的警笛声从你身边经过时，你就会感受到多普勒效应：当它从你身旁离开时，警笛的音调好像下降了。
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多普勒效应是用途十分广泛的概念：它已被用于检测宇宙膨胀、跟踪雷暴，以及做超声波检查。因为斯普特尼克人造卫星以稳定的频率持续发射信号，并且由于微波接收器是静止不动的，吉尔和韦芬巴赫认识到，他们能根据所捕捉的微小却稳定的波形变化，计算出卫星的运动轨迹。那晚，他们想起另外一个数学技巧：通过分析多普勒位移的斜率，能够测定卫星轨道上最接近APL实验室的点。他们很偶然地发现了一种技术，不仅能计算卫星的运行速度，还能画出它的运行轨迹。几小时内，这两位年轻的科学家已经完成了从收听、到测量、再到跟踪俄罗斯卫星的全过程。
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随后的几个星期，一个无组织的科学家团队在APL围绕吉尔和韦芬巴赫的直觉，补充细节，研究关于轨道卫星的理论文献，提出改善技术的建议。最终，APL主任批准了款项，让实验室新的UNIVAC计算机处理数据。几个月后，他们就凭那个简单的20Mhz信号，完整地推断出了斯普特尼克人造卫星的运行轨迹。吉尔和韦芬巴赫的探索，后来被他们称为“生命中的奇遇”，对他们日后的职业生涯影响极大。1958年春天，弗兰克·麦克卢尔（Frank T. McClure），传说中的应用物理实验室副主任，叫吉尔和韦芬巴赫去他的办公室。麦克卢尔有一个机密问题要问他们：如果可以利用地面接收器的已知位置来测算卫星的方位，那么问题能反过来看吗？如果知道卫星的精确轨道，能够测算出地面接收器的位置吗？吉尔和韦芬巴赫运用大脑的逻辑思维思考了几分钟，然后给出了肯定的答案。事实上，从已知轨道推断方位——而非以固定的地面位置来推断未知轨道，结果显然会更加准确。没有对这个问题的最终目的作出解释，麦克卢尔让两个男人迅速做可行性分析。在经过了几天紧张而激烈的数据计算后，吉尔和韦芬巴赫作了汇报：他们出色地解决了所谓的“反向问题”。
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很快，吉尔和韦芬巴赫明白了为什么反向问题对于麦克卢尔如此重要：军方正在研发北极星（Polaris）核导弹，该导弹被设计为可在潜艇上发射。要精确地计算导弹攻击轨迹，需要精确地知晓发射场地的位置。在陆地上很容易确定比如在阿拉斯加的一个导弹发射井，但要确定一艘漂浮在太平洋某处的潜艇，却是极其困难的。麦克卢尔的创意是采取巧妙的卫星解决方案，跳脱原本的思维。军方将通过追踪地球上空已知方位的卫星轨道，来确立潜艇的未知位置。正如水手们千百年来利用星星导航一样，军方将运用人造卫星技术来引导舰队。
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该项目被称为“子午仪”卫星导航系统（Transit System）。斯普特尼克人造卫星发射3年后，美国有5颗人造卫星在轨运行，为军方提供导航数据。1983年，当韩国航空公司007号航班由于地面导航系统发生故障，在进入苏联领空被击落后，罗纳德·里根总统宣布：“卫星导航应作为‘公共利益’，向民用领域开放。”大约在那个时侯，这套系统改名为：全球定位系统（GPS）。半个世纪之后，大约30枚GPS卫星的导航信号覆盖了全球，从手机、数码相机到A380空中客车，可以为所有的一切提供导航。
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如果你想在第一时间了解新兴平台不可思议的力量，只需看一看GPS在过去5年中发生了什么，就一清二楚了。建造该系统的工程师——始于吉尔和韦芬巴赫，创造了一个完整的生态系统，并且发挥了意想不到的效用。弗兰克·麦克卢尔想到，可以利用吉尔和韦芬巴赫独特的见解跟踪核潜艇，但他完全不知道，50年后同样的系统可以在城市中心帮助青少年玩精心制作的游戏，可以使登山者探索危机四伏的山脉，也可以让摄影师将照片上传到Flickr地图网站中。与互联网本身一样，GPS已经产生了巨大的商业价值，许多以盈利为目的的企业参与基础设施的扩建，以实现它这方面的价植。然而，建立GPS采用的创意则是卫星本身的概念，原子钟卫星依靠其精确计时，当然，还有吉尔和韦芬巴赫针对斯普特尼克卫星的独特见解—— 一切都产生自公共行业。GPS平台的生成性本质充分反映了它的诞生环境。当吉尔和韦芬巴赫被要求解释，他们是如何从斯普特尼克卫星上偶然得到了启示时，他们都将之归功于应用物理实验室这个智慧的出产地，而非自己的特殊才能：
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APL对于好奇的小孩来说，是一个最佳的环境，特别是其研究中心。这是一个鼓励人们拓展思维、思考问题的环境，是好奇的孩子们跟随好奇心，随心所欲行事的地方。同样重要的是，身处其中的孩子们可以带着初步的成果，去求助于通晓相关领域的同事，特别是由于实验室管理者的才能，同事们在硬件、武器和武器需求方面也具有渊博的知识。
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APL是一个小规模的平台，它鼓励并放大灵感，允许这些灵感与具有相关专业知识的思想连接。由于网络密集，21世纪最具生产力的技术平台之一扎根了。当然，APL不是一个完全开放式的平台，它毕竟涉及军事机密。而且，尽管吉尔和韦芬巴赫想向世界分享斯普特尼克人造卫星的发现，但在那台新鲜出炉的电脑UNIVAC占据一整间房间的时代，传播这项突破性进展是很困难的。但是，在那些关上的门背后，在鼓励不同领域机遇碰撞的背景下，威廉·吉尔和乔治·韦芬巴赫是受益者。这两个“孩子”在餐厅偶然发现了一个创意，并据此创立了一番完整的事业。
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大多数创新的发源地都有着相似的物理空间：硅谷的家酿计算机俱乐部；弗洛伊德在柏格巷19号的周三沙龙；18世纪的英国咖啡店。所有这些空间都是较小规模的实现性平台。咖啡店老板，如爱德华·劳埃德（Edward Lloyd）或威廉·昂温（William Unwin），不会想要发明现代出版业或保险业务；对于促进科学进步或引发政治动荡，他们一点儿都不感兴趣。他们只是商人而已，只想赚到足够的钱养家糊口，就像海狸筑巢是为了保护后代的安全一样。但是劳埃德和昂温所打造的空间具有不同寻常的特点：它们促使人们改变思考方式，他们创造了一个让各种不同思想有效进行碰撞与重组的环境。
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