Философский стиль мышления естествоиспытателя. Термооптическая микроскопия в применении к медико-биологическим задачам

ГЛАВА 3

Логика и математика как связующее звено между философией и наукой

Философский стиль мышления современного естествоиспытателя может быть представлен на основе идей Дж. Смарта и В. Куайна [1] в виде сферы взаимодействия классических и современных философских идей и теоретического естествознания в применении к конкретным полученным результатам исследований. Связующим звеном между философскими концепциями и конкретно научными проблемами и представлениями в этой сфере выступают логика и математика (рис.3.1.).
Окружающие нас объекты природы, являющиеся объектом естествознания, имеют внутреннюю структуру, т.е. в свою очередь сами состоят из других объектов
(яблоко состоит из клеток растительной ткани, которая сложена из молекул, являющихся объединениями атомов и т.д.) [18]. При этом естественным образом возникают различные по сложности уровни организации материи: космический, планетарный, геологический, биологический, химический, физический. Представители естественных наук, занимающиеся изучением объектов какого-либо уровня, могут достичь их полного описания лишь основываясь на знаниях более “низкого” (элементарного) уровня (невозможно понять законы жизнедеятельности клетки, не изучив химизм протекающих в ней реакций). Однако реальные возможности каждого отдельного исследователя весьма ограничены (человеческой жизни недостаточно не только для того, чтобы плодотворно заниматься изучением сразу нескольких уровней, но даже заведомо не хватает на сколько-нибудь полное освоение уже накопленных знаний о каком-то одном). Из-за этого возникло деление естественно научных знаний на отдельные дисциплины, примерно соответствующие вышеперечисленным уровням организации материи: астрономию, экологию, геологию, биологию, химию и физику. Специалисты, работающие на своем уровне, опираются на знания смежных наук, находящихся ниже по иерархической лестнице. Исключение составляет физика, находящаяся на “самом нижнем этаже” человеческих знаний
(“составляющая их фундамент”): исторически сложилось так, что в ходе развития этой науки обнаруживались все более “элементарные” уровни организации материи (молекулярный, атомный, элементарных частиц…), изучением которых по-прежнему занимались физики.

Естественные науки различных уровней не обособлены друг от друга. При изучении высокоорганизованных систем возникает естественная потребность в информации о составляющих их элементах, предоставляемой дисциплинами “более низких” уровней. При изучении же “элементарных” объектов весьма полезны знания об их поведении в сложных системах, где при взаимодействиях с другими элементами проявляются свойства изучаемых. Примером взаимодействия наук разных уровней может служить разработка Ньютоном классической теории тяготения (физический уровень), возникшей на основе законов движения планет
Кеплера (астрономический уровень), и современные концепции эволюции
Вселенной, немыслимые без учета законов гравитации.

Естественные науки, находящиеся на нижних этажах иерархической лестницы, несомненно, проще вышестоящих, поскольку занимаются более простыми объектами (строение электронного облака атома углерода, несомненно
“проще пареной репы”, содержащей множество атомов с такими облаками!).
Однако, именно из-за простоты изучаемых объектов науки нижних уровней сумели накопить гораздо больше фактической информации и создать более законченные теории.

Обсуждавшаяся выше структура естествознания не содержит математики, без которой невозможна ни одна из современных точных наук. Это связано с тем, что сама математика не является естественной наукой в полном смысле этого понятия, поскольку не занимается изучением каких-либо объектов или явлений реального мира. В основе математики лежат аксиомы, придуманные человеком. Для математика не имеет решающего значения вопрос, выполняются ли эти аксиомы в реальности или нет (напр. В настоящее время благополучно сосуществует несколько геометрий, основанных на несовместных друг с другом системах аксиом).

Если математика заботит лишь логическая строгость его выводов, делаемых на основе аксиом и предшествующих теорем, естествоиспытателю важно, соответствует ли его теоретическое построение реальности. При этом в качестве критерия истинности естественнонаучных знаний выступает эксперимент, в ходе которого осуществляется проверка теоретических выводов
(13).

В ходе изучения свойств реальных объектов часто оказывается так, что они приближенно соответствуют аксиоматике того или иного раздела математики
(напр. Положение небольшого тела можно приближенно описать, задав три его координаты, совокупность которых можно рассматривать как вектор в трехмерном пространстве). При этом ранее доказанные в математике утверждения (теоремы) оказываются применимыми к таким объектам.

Кроме сказанного, математика играет роль очень лаконичного, экономного и емкого языка, термины которого применимы к внешне совершенно разнородным объектам окружающего мира (вектором можно назвать и совокупность координат точки, и характеристику силового поля, и компонентный состав химической смести, и характеристику экономико- географического положения местности).

Очевидно, что более простые объекты нашего мира удовлетворяют более простым системам аксиом, следствия из которых математиками изучены более полно. Поэтому естественные науки “низших” уровней оказываются более математизированными.

Опыт развития современного естествознания показывает, что на определенном этапе развития естественно научных дисциплин неизбежно происходит их математизация, результатом которой является создание логически стройных формализованных теорий и дальнейшее ускоренное развитие дисциплины.

Показательно, что вначале идеал математического описания природы утверждался в эпоху Возрождения, исходя из традиционных для средневековой культуры представлений о природе как книге, написанной “божьими письменами”. Затем эта традиционная мировоззренческая конструкция была наполнена новым содержанием и получила новую интерпретацию: “Бог написал книгу природы языком математики”.

Таким образом, в формировании философского стиля мышления большое место принадлежит логике и математике, которые составляют связующее звено между философскими концепциями и конкретно-научными проблемами и представлениями и соединяют в себе общность, присущую философии, и точность, к которой стремятся конкретные науки [19].

ГЛАВА 4

НАУКА 21-ОГО ВЕКА. ОСОБЕННОСТИ МЫШЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОИСПЫТАТЕЛЯ

Наука сегодня — это совокупность огромного числа разнообразных исследовательских институтов и организаций, действующих как в масштабах отдельной страны, так и на международном уровне. Современную науку принято называть «большой наукой». За последнее столетие масштабы научной деятельности возросли многократно. Так, если в 1900 году в мире насчитывалось около ста тысяч профессиональных ученых, то в конце двадцатого столетия их свыше пяти миллионов. Около 90 процентов всех научных изобретений и открытий, когда-либо совершенных человечеством, пришлось на XX век. Количество мировой научной информации удваивалось каждые 10-15 лет. Около 90 процентов ученых, когда-либо живших на Земле, являются нашими современниками. Сегодняшняя наука по многим параметрам принципиально отличается от науки предшествующих веков (4, 5).

В 80-90-е гг. XIX в. завершается формирование того типа научного знания, который правомерно квалифицировать как «классический». В его арсенале накоплены значительные достижения: в области физики, кроме классической механики, основанной еще И. Ньютоном, — оптика, теория термодинамики, электричества и магнетизма (законы Кулона, Ома, электромагнитной индукции
Фарадея и др.); в области химии — изучение свойств основных типов химических соединений (соли, кислоты, щелочи), периодическая система элементов Д.И. Менделеева, начала органической химии и т.д.; в математике аналитическая геометрия и математический анализ; в биологии — изучение основных свойств живых существ, эволюционная теория Дарвина, теория клеточного строения и др. В 80-90-е гг. складывается ощущение, что здание науки близко к завершению и остается возвести лишь «последние этажи».
Однако неожиданно возникает то, что получило название «кризиса» в физике, а затем и в других отраслях научного познания. Сегодня, по прошествии более чем ста лет, можно констатировать, что так называемый «кризис» в науке на рубеже XIX—XX вв. знаменовал собой начало перехода науки из классической фазы своего развития в постклассическую. Переход науки, прежде всего, естествознания, в новую фазу развития — фазу постклассической науки явился характерной приметой XX столетия (4).

4.1. Рациональность. Иррациональность. Теория «хаоса»

Классическая наука, в общем и целом, исходила из положения, что все в мире поддается рациональному объяснению. Тем самым, классические представления основывались на убежденности в принципиальной упорядоченности мира. В отличие от этого, в постклассичекой науке уверенность в строгой упорядоченности вселенной все более подвергается сомнению. Во многих случаях современная наука вынуждена обращаться к понятию «хаос», хорошо известному древней философии, но забытому научным познанием XVII—XIX вв.

Древние греки противопоставляли хаос как неупорядоченное начало космосу как началу упорядоченному и гармоническому. Аналогичным образом ряд направлений современного научного познания не может обойтись без учета фактора принципиальной непредсказуемости объекта изучения. Так, в физике микромира известно, что элементарная частица может быть локализована во времени и пространстве приблизительно или условно. Еще большее значение отводит неупорядоченности такое научное направление как синергетика. С точки зрения синергетики, хаос (разумеется, наряду с той или иной мерой упорядоченности) есть неотъемлемая сторона всех процессов изменения и развития. Хаос — это принципиальная непредсказуемость, иррациональность. В этом смысле хаос есть творческое состояние. Именно ему мир обязан непрерывным обновлением, возникновением ранее не существовавшего. Однако хаос чреват и разрушительными последствиями. Поэтому он может быть опасен для человека и общества (4).

В сентябре 1981 года в Стэнфорде (США) состоялся международный симпозиум, посвященный рассмотрению проблем хаоса и порядка в приложении к различным сферам культуры и науки. Событием этого симпозиума стало выступление бельгийского химика русского происхождения Ильи Пригожина, лауреата Нобелевской премии 1977 года, который в докладе "Порядок из Хаоса" рассказал о своем открытии так называемых "рассеянных стрyктyp"
("dissipative structures"), которые возникают в замкнутых системах, находящихся в неуравновешенном - т.е. хаотическом состоянии, и делает следующее заключение: "Концепция закона, "порядка", не может более рассматриваться как данная раз и навсегда, и сам механизм возникновения законов порядка из беспорядка и хаоса должен быть исследован» (20, 21).

В своей статье «Философия нестабильности» Пригожин говорит о естественнонаучных причинах, позволивших говорить о новой концепции хаоса:

Это, во-первых, открытие неравновесных структур, которые возникают как результат необратимых процессов и в которых системные связи устанавливаются сами собой; это, во-вторых, вытекающая из открытия неравновесных структур идея конструктивной роли времени; и, наконец, это появление новых идей относительно динамических, нестабильных систем, — идей, полностью меняющих наше представление о детерминизме (20). А также открытиях в области элементарных частиц, продемонстрировавших фундаментальную нестабильность материи, а также о космологических открытиях, констатировавших, что мироздание имеет историю (тогда как традиционная точка зрения исключала какую бы то ни было историю универсума, ибо универсум рассматривался как целое, содержащее в себе все, что делало бессмысленным саму идею его истории) (22)

Далее Пригожин делает некоторые выводы:

«…порядок и беспорядок сосуществуют как два аспекта одного целого и дают нам различное видение мира. Окружающая нас среда, климат, экология и, между прочим, наша нервная система могут быть поняты только в свете описанных представлений, учитывающих как стабильность, так и нестабильность. Идея нестабильности не только в каком-то смысле теоретически потеснила детерминизм, она, кроме того, позволила включить в поле зрения естествознания человеческую деятельность, дав, таким образом, возможность более полно включить человека в природу».[22-24]

Французский культуролог Эдгар Морин полагает, что «мы должны научиться мыслить порядок и беспорядок в единстве». Наука все серьезнее обращается к диалогу со случайностью (25).

Обнаружение принципиальной хаотичности и неопределенности ряда процессов и состояний привело, в частности, к тому, что в современной науке, наряду с динамическими закономерностями, все большую роль играют закономерности вероятностно-статистические. Закономерности динамического типа позволяют предсказывать поведение объектов точно и определенно. Так, в классической механике, если известен закон движения тела, заданы его координаты и скорость, то по ним можно определенно вычислить положение тела в любой заданный момент времени. В отличие от этого, вероятностно-статистические закономерности не позволяют делать абсолютные предсказания. Кроме того, они применимы не к единичному телу или событию, а к их множеству. Вероятностно- статистические закономерности описывают и объясняют поведение больших совокупностей, или «коллективов» — элементарных частиц, атомов, молекул или человеческих индивидов. Сегодня вероятностно-статистические методы занимают в арсенале науки все большее место.

4.2. Субъект-объектные отношения в современной науке

Классическая наука строилась на предположении, что при всех условиях можно мысленно вынести субъект за «скобки» объекта. Под субъектом понимался человек, осуществляющий познание, и человечество в целом. Под объектом понимается то, на что направлено познание, в конечном итоге — природа.

Методология классической науки предполагала мысленную операцию отстранения субъекта от объекта: субъект находится вне объекта и не оказывает на него существенного влияния. Субъекта как бы и нет, он лишь наблюдает изучаемый процесс, находясь за его пределами. Существенно то, что с самого момента возникновения классической науки было ясно, что вынесение субъекта за скобки объекта мыслилось как специальный познавательный прием, осуществляемый по принципу, как если бы человека не было. Этот прием понимался как условный, поскольку вполне очевидно, что реально человек неустраним из познавательной ситуации. Вместе с тем, предполагалось, что такой прием принципиально осуществим всегда и для любого объекта познания.
Более того, элиминация (исключение) возмущающего воздействия субъекта на объект рассматривалась как необходимое требование, для любого знания, претендующего на статус научности. Такое понимание научности обеспечивало общезначимость знания, его независимость от субъективного произвола исследователя.

Постклассическая наука строится на признании субъектности научного знания. Субъектность — это, конечно, не право на субъективный произвол.
Выясняется, однако, что мысленная операция устранения субъекта осуществима далеко не всегда и не для всех объектоь познания. В большинстве случаев воздействие познающего субъекта на изучаемый объект таково, что от него невозможно абстрагироваться. Следовательно, субъектно-объектная парадигма классической науки не безусловна. Ее применимость в каждом конкретном случае требует учета граничных условий, за которыми она неосуществима. В большинстве случаев мы изучаем не объект в чистом виде, «как если бы человека не было», а процесс взаимодействия человека с изучаемым объектом.
Признание того, что человек есть неотъемлемая часть той реальности, которую он изучает, и составляет существо признания субъектности научного знания.
Объективность научного знания теперь следует понимать как обусловленный особенностями объекта (которые в полной мере нам неизвестны) характер его ответной реакции на познавательные действия субъекта.

Обнаружение значительной роли субъектности научного знания имеет еще один важный аспект. Оно с небывалой остротой поставило проблему ответственности человека за окружающий мир. Проникая все более глубоко в тайны мироздания, человек все больше становится внутренним фактором природных процессов. При этом вмешательство человека нередко начинается не только на стадии применения научных знаний, создания тех или иных технических устройств и т.п., но и уже в процессе познания или прямо провоцироваться его стратегией. Последствия вмешательства могут оказаться непредсказуемыми, поскольку реакция объекта на познавательные действия субъекта заранее неизвестна. Особенности современной науки поставили перед человечеством сложнейшую проблему: на каких путях достижим такой прогресс научного знания, который не был бы чреват опасными последствиями, как для природы, так и для самого человека? Не следует ли вообще ограничить стремление к бесконечному познанию? Если да, то, как это можно сделать и следует ли ограничивать все научные направления или делать это избирательно? Эти вопросы постоянно обсуждаются международной научной общественностью. Их особая острота с познавательной точки зрения, обусловлена, в частности, тем, что современная наука вынуждена признать существенную роль внерационалъного (наряду с рациональным) (4).

Возможность более полно включить человека в природу появилась благодаря развитию концепции нестабильности, предложенной И.Р. Пригожиным, которая в каком-то смысле теоретически потеснила детерминизм и позволила включить в поле зрения естествознания человеческую деятельность. Соответственно, нестабильность, непредсказуемость, и, в конечном счете, время как сущностная переменная стали играть теперь немаловажную роль в преодолении той разобщенности, которая всегда существовала между социальными исследованиями и науками о природе (20).

4.3.Взаимодействие наук

Для классической науки в целом характерна отчетливая дисциплинарность знания (3). Разделение наук, приведшее к возникновению фундаментальных отраслей естествознания и математики, развернулось полным ходом начиная с эпохи Возрождения (вторая половина XVв.). Объединение наук сначала отсутствовало почти полностью. Важно было исследовать частности, а для этого требовалось, прежде всего, вырывать их из их общей связи. Однако во избежание того, чтобы все научное знание не рассыпалось бы на отдельные, ничем не связанные между собой отрасли, подобно бусинкам при разрыве нити, на которую они были нанизаны, уже в XVII в. стали предлагаться общие системы с целью объединить все науки в одно целое. Однако никакой внутренней связи между науками при этом не раскрывалось; науки просто прикладывались одна к другой случайно, внешним образом. Поэтому и переходов между ними не могло быть(7). К IX в. сложились основные естественные науки: физика, химия, биология, геология и др. Они четко обозначили свой предмет и соответствующие методы познания (4).

Так в принципе обстояло дело до середины и даже до конца третьей четверти XIXв. В этих условиях продолжавшееся нараставшими темпами разделение наук, их дробление на все более и более мелкие разделы и подразделы были тенденцией, не только противоположной тенденции к их объединению, но и затруднявшей и осложнявшей эту последнюю: чем больше появлялось новых наук и чем дробнее становилась их собственная структура, тем труднее и сложнее становилось их объединение в общую единую систему.
Вследствие этого тенденция к их интеграции не могла реализоваться в достаточно заметной степени, несмотря на то, что потребность в ее осуществлении давала себя знать с все нарастающей силой.

Начиная с середины XIX в. тенденция к объединению наук впервые обрела возможность из простого дополнения к противоположной ей тенденции (к их дифференциации) приобрести самодовлеющее значение, перестать носить подчиненный характер. Более того, из подчиненной она все быстрее и все полнее становилась доминирующей, господствующей. Обе противоположные тенденции как бы поменялись своими местами: раньше интеграция наук выступала лишь как стремление к простому удержанию всех отраслей раздробившегося научного знания; теперь же дальнейшая дифференциация наук выступила лишь как подготовка их подлинной интеграции, их действительного теоретического синтеза. Более того, нараставшее объединение наук стало осуществляться само через дальнейшую их дифференциацию и благодаря ей.

Объяснялось это тем, что анализ и синтез выступают не как абстрактно противопоставленные друг другу противоположные методы познания, но как слитые органически воедино и способные не только дополнять друг друга, но и взаимно обусловливать друг друга и переходить, превращаться один в другой.
При этом анализ становится подчиненным моментом синтеза и поглощается им в качестве своей предпосылки, тогда как синтез непрестанно опирается на анализ в ходе своего осуществления.

Первая простейшая форма взаимодействия наук – их "цементация". Во второй половине XIX в. впервые определилась тенденция в развитии наук от их изолированности к их связыванию через промежуточные науки. В результате действия этой тенденции в эволюции наук со второй половины XIX в. началось постепенное заполнение прежних пробелов и разрывов между различными и прежде всего смежными в их общей системе науками. В связи с этим движением наук от их изолированности к возникновению наук промежуточного, переходного характера стали образовываться связующие звенья ("мосты") между ранее разорванными и внешне соположенными одна возле другой науками. Основой для вновь возникавших промежуточных отраслей научного знания служили переходы между различными формами движения материи. В неорганической природе такие переходы были обнаружены благодаря открытию процессов взаимного превращения различных форм энергии. Переход же между неорганической и органической природой был отражен в гипотезе Энгельса о химическом происхождении жизни на Земле. В связи с этим Энгельс выдвинул представление о биологической форме движения. Наконец, переход между этой последней и общественной формой движения (историей) Энгельс осветил в своей трудовой теории антропогенеза.

В самом естествознании впервые один из переходов между ранее разобщенными науками был создан открытием спектрального анализа. Это была первая промежуточная отрасль науки, связавшая собой физику (оптику), химию и астрономию. В результате такого их связывания возникла астрофизика и в какой-то степени астрохимия.

В общем случае возникновение таких наук промежуточного характера может иметь место, когда метод одной науки в качестве нового средства исследования применяется к изучению предмета другой науки. Так, в наше время возникла радиоастрономия как часть современной астрофизики.

Такой процесс заполнения пропастей между науками продолжался и позднее, причем в нараставших масштабах. В итоге вновь возникавшие научные направления переходного характера выступали как цементирующие собой ранее разобщенные, изолированные основные науки, наподобие физики и химии. Этим сообщалась все большая связанность всему научному знанию, что способствовало процессу его интеграции. Иначе говоря, дальнейшая дифференциация наук (появление множества промежуточных – междисциплинарных
– научных отраслей) прямо выливалась в их более глубокую интеграцию, так что эта последняя совершалась уже непосредственно через продолжающуюся дифференциацию наук.

Таково было положение вещей примерно к концу первой половины ХХ в. В последующие десятилетия произошло усиление взаимодействия наук и достижение его новых, более высоких и более сложных форм (26). Были созданы такие науки как физическая химия, биогеохимия, геофизика и многих других, лежащих на стыке классических наук. Не менее показательным для процесса интеграции явилось создание общенаучных дисциплин и методов, применимых для многих или большинства наук. Сюда следует отнести теорию систем, структурный метод, синергетику и другие (4).

В целом можно заключить, что с одной стороны современная наука движемся к плюралистическому миропониманию. С другой - существует тенденция к поиску нового единства внутри явно контрастных аспектов нашего опыта.

Очевидно, что эти новые процессы сближают естественные и гуманитарные науки. Традиционно естествоиспытатели имели дело с универсалиями, а гуманитарии - с событиями. Но сегодня в естественные и точные науки проникает гуманитарная интерпретация природы. И нет ничего удивительного в том, что некоторые концепции, оказавшиеся в последнее время в центре внимания, находят свое применение как в естественнонаучной, так и в гуманитарной сферах. В качестве примера можно упомянуть концепцию
"нелинейности". Она существенна для случая рассеянных структур, но она так же важна для понимания любой формы социума, будь это социум насекомых или людей".[27]

4.4. Термооптический метод исследования биологических объектов и связанные с ним философские проблемы

4.4.1. Принцип термооптического метода

Лазерный термооптический (ТО) микроскоп создан в АНК «Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова» НАН Б и представляет собой экспериментальный образец анализатора клеток. позволяющего определить различные параметры отдельных живых клеток. принцип действия термооптического микроскопа основан на облучении отдельный клетки сфокусированным импульсным лазерным пучком накачки (видимый диапазон, 10 нс), индуцирующего нагрев в клетке вследствие безизлучательной релаксации поглощенной компонентами клетки световой энергии. Наведенные тепловые эффекты и реакция клетки на них регистрируются оптическим методом с помощью дополнительного пробного лазера, обеспечивающим интегральный отклик клетки на лазерный импульс и визуализацию локальных тепловых эффектов внутри клетки с временным разрешением (термооптическое изображение). Указанные ТО-сигналы могут быть получены при неразрушающем воздействии лазера на клетки и обеспечивают возможность мониторинга состояния отдельных клеток при их взаимодействии с факторами окружающей среды.
Термооптическая микроскопия позволяет регистрировать структурно- функциональное состояние клетки: активность дыхательной цепи, активность кислородпереносящих белков, а также структурные изменения при повреждении клеток. ТО микроскопия является прямым методом исследования клетки, поскольку источником сигнала являются непосредственно компоненты клетки, а не экзогенные маркеры (субстраты для проявления ферментативной активности, моноклональные антитела, флюорохромы, радиоактивные изотопы и проч.).
Соответственно метод лишен недостатков, связанных с необходимостью дополнительной обработкой образцов, а также экологическими проблемами
(специальные меры утилизации отработанного материала, остатков реактивов).

Получаемая информация отражает не усредненные показатели популяции, а демонстрирует естественную гетерогенность клеток в популяции, подвергаемой какому-либо воздействию, что дает возможность отслеживания устойчивых к воздействию клеток (29, 30).

4.4.2. Термооптический метод и проблема взаимодействия наук

Лазеры и лазерное излучение, будучи изначально собственностью исключительно оптики, как части физики в целом, со временем приобрело все более и более широкое применение.

В настоящее время в большинстве стран мира наблюдается интенсивное внедрение лазерного излучения в биологических исследованиях и в практической медицине. Уникальные свойства лазерного луча открыли широкие возможности его применения в различных областях: хирургии, терапии и диагностике. В России лазеры применяются в биологии и медицине уже более 30 лет. Исторически сложилось так, что приоритет в раскрытии механизмов и в биологическом применении находится в странах бывшего СССР (5, 30, 31).

Началом истории термооптического метода можно считать открытия фундаментальных основ лазерной фотоакустики, ранее называемой акустической оптикой, и термооптического феномена сделанные в начале 70-ых годов ХХ века под руководством проф. Летохова. Это были эксперименты с использованием фотоакустического метода для определения ультранизкой молекулярной концентрации, которые позднее были использованы в изотопном анализе и изучении возбужденных молекулярных состояний. Методы с использованием нелинейного и мультифотонного поглощения, позволяющие пространственное разрешение и чувствительность фотоакустической спектроскопии, и сильно сфокусированные лазерные лучи были предложены в
1978 году. Изначально открытые феномены использовались только для нужд физики, но затем, начиная с 1981 года в той же лаборатории были реализованы первые эксперименты по высокочувствительному определению витамина А в плазме крови. Явление фотоакустической регистрации отдельных малых частиц, движущихся через сильно сфокусированный лазерный луч, было впервые использовано для очистки жидкостей. В 1987 году было исследовано влияние фотоакустических и термооптических волн на клеточные структуры с помощью коротких сфокусированных лазерных импульсов. Давление порядка 2x105 Пa рядом с местом повреждения при энергии 50 мкДж было зарегистрировано с помощью метода изображений Шлирена, который позволяет детектировать рефракцию пробного луча. Было обнаружено, что внешние звуковые волны не приводят к существенному поражению клетки за исключением нарушений проницаемости мембраны. Однако, если такие же звуковые волны генерировались внутри клетки, то повреждение клетки было намного более серьезным и включало разрывы мембраны, обусловленным возникновением внутренних температурных и соответствующих механических волн. Эта теория была позже применена для лечения почечных камней. В 1985-86 годах было предложено регистрировать вторичное инфракрасное излучение от локального лазер- индуцированного нагрева биологических образцов. Различные модификации фотоакустических и термооптических методов, включая термооптический метод с применением двух лазеров с параллельной и перпендикулярной геометрией лучей были предложены для использования в высокочувствительном проточном анализе и детекции при капиллярной хроматографии.

На сегодняшний день термооптическая микроскопия нашла применение при решении следующих биологических задач: дифференцировка тканевой принадлежности клеток, диагностика свойств эритроцитов в норме и при патологии, исследование влияния лекарственных препаратов in vitro и др.

Метод ТО микроскопии по своей сути является скрининговым методом, позволяющим оценить состояние транспорта кислорода и активность дыхательной цепи, а также состояние различных гемопротеинов на клеточном уровне.
Поскольку изменение активности дыхательной цепи сопутствует изменению других составляющих метаболизма, то ее можно рассматривать как универсальный сенсор изменения состояния клетки в целом. ТО-метод может быть реализован технически на основе стандартных приборов, включая оптический микроскоп, проточный цитометр и жидкостной хроматограф (28, 29).

Как следует из истории создания термооптической микроскопии, эта область исследований на сегодняшний день находится на стыке наук, таких как физика (в частности оптика, квантовая физика, фотоакустика), биология
(биохимия, радиобиология, спектрофотометрия), химия и медицина, и является результатом междисциплинарного взаимодействия вследствие применения метода исследования одной науки (физики) к объектам исследования другой
(биологии).

4.4.3. Термооптическая микроскопия и концепция нестабильности

Многие вопросы лазерной медицины до сих пор полностью не раскрыты.
Многообразие проявлений эффектов лазерного излучения и природы термооптического сигнала требует построения единой физической концепции взаимодействия когерентного излучения с биообъектами (32).

Экспериментально было установлено, что лазерное излучение действует на отдельную клетку, а не только на биологические клеточные структуры. Попытки установления соответствия энергетических уровней атомов или молекул с энергией действующего светового кванта или поиски светочувствительного агента в биоткани не привели к положительным результатам. Поэтому для объяснения природы взаимодействия лазерного излучения с биологическим веществом необходимо принятие идей нестабильности и представление биологических систем как открытых и нестабильных (20).

Открытые системы в отличие от идеализированных замкнутых
(изолированных) систем обмениваются со своим окружением веществом, энергией и, что особенно важно, информацией [33, 34]. Поэтому в живых системах при взаимодействии с когерентным излучением, испускаемым существенно неравновесной активной средой лазера (имеющей инверсную населенность энергетических уровней), наряду с процессами тепловой деградации, могут происходить процессы самоорганизации, в результате которых возможно восстановление функций поврежденной биосистемы.

Важной чертой эффекта лазерного излучения является эквифинитность: при широком варьировании исходных характеристик лазерного излучения конечный терапевтический эффект оказывается одинаковым. Для описания биологических систем лучше ввести понятие особого типа квазичастиц – “конформеров”.
Производство энтропии – наиболее подходящий физический параметр для описания эффекта лазерного излучения. Важным преимуществом энтропийных характеристик является их связь с информационными и структурными параметрами. Эффект ЛБС можно, таким образом, рассматривать как совокупность неравновесных фазовых переходов, формирующих процесс самоорганизации, при котором система “когерентный свет – биовещество” идет по пути уменьшения производства энтропии. Другим аспектом эффекта лазерного излучения, сказывающимся на термооптических свойствах, является подстройка пространственно-временной структуры волнового фронта излучения к структуре биоткани, происходящая за счет оптических свойств клеточной структуры.

Основной чертой биохимических процессов в клетке является их электронно- конформационный или матричный характер. Т.е. направленность реакций на изменение и согласование вторичной, третичной и т. д. структур – конформаций биомакромолекул по отношению друг к другу. С точки зрения лазерной физики механизм перевода молекул в нужное конформационное состояние можно рассматривать как систему “накачки”, обуславливающую статистическую неравновесность всей биосистемы, которая, возможно и служит источником термооптического сигнала.

Эффект лазерного излучения рассматривается с точки зрения биологической электродинамики, что объясняет избирательность действия лазерного излучения только на “больные” клетки. Чередование водных слоев с различной преимущественной ориентацией диполей вблизи мембраны влияет как на процессы свертывания – развертывания белковых макромолекул, так и на их сенсибилизацию к действию электромагнитного излучения. Поэтому, в целом взаимодействие лазерного излучения с биоструктурами является самоорганизующимся процессом неадиабатического возмущения системы “мембрана
– связанная вода – биомакромолекулы” и сказывается, в первую очередь, на эффективности синтеза новых биомолекул. Механизм воздействия лазерного излучения можно трактовать как состоящий из первичной фотохимической реакции с переносом электрона в макромолекуле с последующим конформационным изменением ассоциата, состоящего из макромолекулы и ее гидратного окружения. Т.е. это своеобразный “обмен” когерентными свойствами между биовеществом и электромагнитным полем: в результате взаимодействия лазерный свет рассеивается и поглощается, а неравновесная декоррелированная биосистема возвращается в полностью когерентное состояние. Также процесс воздействия лазерного излучения можно рассматривать как своеобразный
“теплообмен” между двумя системами, имеющими отрицательную абсолютную температуру – биосистемой и когерентным электромагнитным полем
(рис.4.4.3.1.).

Итак, эффект лазерного излучения является нетривиальным примером взаимодействия двух неравновесных систем: когерентного поля и биологической системы. Взаимодействие этих двух систем происходит всегда при монохроматичности излучения, что связано с дискретностью энергетического спектра биосистемы и с изменением ее параметров во времени – она “дышит” и, тем самым, всегда обеспечивает резонанс структур. Основными чертами этого взаимодействия следует считать наличие самоорганизации и эквифинитности – независимости конечного результата от меняющихся в широких пределах начальных условий (длина волны, угол освещения, интенсивность и др.).
Рассмотренные выше предположения в какой-то степени объясняют причины
“однонаправленности” положительного терапевтического результата всего процесса лазерной биостимуляции.

Таким образом, природа термооптического сигнала, используемого в термооптической микроскопии, еще не до конца исследована и не имеет четкой концепции, объясняющей феномен взаимодействия лазерного излучения с биовеществом. Наиболее оптимальное объяснение наблюдаемых явлений на сегодняшний день дает концепция нестабильности, предложенная И. Пригожиным.
Однако как заметил сам Ньютон в письме к Ольденбергу: "окончательных теорий" не существует, каждая теория основана на идеализациях (35). Поэтому несомненным является только то, что оперирование термином «термооптический сигнал» часто воспринимается современными учеными как ересь, но в тоже время создает предпосылки для освоения этой области исследования на будущих этапах эволюции познания.

Дираку принадлежит следующее высказывание: "Основная трудность теоретической физики - необходимость преодолевать предрассудки (35)", что особенно верно применительно к необратимости и вероятности. Верным это является и для настоящего этапа развития термооптического анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На протяжении всей истории человеку было присуще желание исследовать окружающий его мир и пытаться понять природу вещей, что со временем привило к возникновению науки как таковой и подняло вопрос о научной рациональности. В истории философского мышления развитие представлений о научной рациональности прошло через множество этапов, начиная с дедуктивистской модели характерной для античности и постепенного принятия значимости «доводов опыта и эксперимента». В 50-х годах XX века проблема научной рациональности оказалась в центре внимания научной общественности благодаря концепции критического рационализма К. Р. Поппера, а затем в
60—80-х годах работ Т. Куна и И. Лакатоса, показавших присутствие в науке иррационального компонениа.

Наука 21-ого века, приняв иррациональную компоненту, признав присутствие регулятивного воздействия на научное мышление идеалов, норм и стандартов, имеющих историческую и социокультурную обусловленность, и частично отказавшись от идей детерминизма в пользу концепции нестабильности и случайности, включила человеческую деятельность в поле зрения естествоиспытания и выдвинула вперед новые ориентиры для деятельности естествоиспытателей и их философских взглядов.

В данной работе философский стиль мышления современного естествоиспытателя представляется в виде сферы взаимодействия классических и современных философских идей и теоретического естествознания в применении к конкретным полученным результатам исследований. Связующим звеном между философскими концепциями и конкретно научными проблемами и представлениями в этой сфере выступают логика и математика. Такой подход предполагает наличие у современного естествоиспытателя широкого кругозора и готовности применить междисциплинарный подход в исследовании. Проблема взаимодействия дисциплин рассматривается на примере термооптического метода исследований биологических объектов, находящегося на стыке физики, биологии, медицины и математики. Было также показано, что природа явления, лежащего в основе рассматриваемого термооптического метода, не имеет четкого обоснования и наилучшим образом описывается с помощью концепции нестабильности.

Таким образом, современные тенденции изменений с основных постулатах науки и философского стиля мышления исследователей ясно свидетельствуют о том, что механизм принятия решений человеком совершенно отличен от того, что наблюдается в физике. Человеческая свобода может иметь смысл только в мире, которым правят не детерминистические законы, а неопределенность служит предпосылкой существования мира людей, мира, где есть место новации, есть место творчеству, в котором время не отделяет человека от природы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Smart J.J.C. Quine’s philosophy of science // Word and Objections. Ed. by D. Davidsonand I. Hintikka. Dordrecht, Boston: D. Reidel, 1975.

2. Алексеев П.В., Панин А.В. Философия: Учебник для ВУЗов – М.: ТЕИС,

1996.-504с.

3. Введение в философию: учебное пособие под ред. акад. Файзуллина Ф.С. –

Башкорстан, 1996.

4. Шаповалова В.Ф. Основы философии. От классики к современности изд.2-е, дополненное: Учеб. пособие для вузов. – М: ФАИР-ПРЕСС, 2000.- 608с.

5. Материалы Internet.

6. Г.М. Голин. Классики физической науки. Краткие творческие портреты..

Мн., «Вышэйшая школа», 1981. С. 180.

7. В.С.Степин. Основания науки и их социокультурная размерность // www.philosophy.ru/library/ruspaper/stiopin1.htm

8. Гуревич А.Я. Категории средневековой культуры. М., 1972. С. 26-84; см. также: Степин В.С. О прогностической природе философского знания:

Философия и наука // Вопр. философии. 1986. № 4. С. 39-53.

9. Фуко М. Слова и вещи. М., 1977. С. 87.
10. Рейхенбах Г. «Философия пространства и времени». Издательство

"Едиториал УРСС». 2003.
11. Popper K. The open society and its enemies. L., 1973.p.224
12. Кун Т. Структура научных революций.- М., 1975. С. 27.
13. В.А.Лекторский. Рациональность, критицизм и принципы либерализма

(взаимосвязь социальной философии и эпистемологии Поппера).
14. Лакатос И.. Методология научных исследовательских программ // Вопросы философии, 1995, №4, стр.135-154
15. Лакатос И. История науки и ее рациональные реконструкции // Структура и развитие науки. М .: Прогресс , 1978. С . 222.
16. Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки. М.: Прогресс

1986.С . 361.
17. Печенкин А.А. Философия науки и квантовая механика //

195.19.12.125/personal/apech/apech.pdf
18. Тулмин С., Человеческое понимание, М., Прогресс, 1984
19. Suppes P. "Models of Data", and "Measurement, Empirical

Meaningfulness, and Three – Valued Logic" // Suppes P. Studies in

Methodology and Foundations ofScience. Dordrecht: Reidel, 1969.
20. Пригожин И. Философия нестабильности // Вопросы философии 1991.- N 6-

С. 46-52.
21. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. - М.: Прогресс, 1986 - с. 432
22. Михеев А. Вокруг, около, вместо // Иностранная литература. 1995.№5 с.31-35
23. Маньковская Н. Эстетика постмодернизма. СПб.: Алетейя, 2000. с.317
24. Мосолова Л.М., Валицкая А.П., Щедрина Г.К. Мировая художественная культура – учебное пособие. СПб: РГПУ, 1991.-с. 67
25. Ильин И.П. Постструктурализм. Деконструктивизм. Постмодернизм.М.:

Интрада. 1996. с. 202
26. С.Р. Микулинский, Л.А.Маркова. Чем интересна книга Т.Куна “Структура научных революций”. Послесловие к рус.изд.кн. - В кн.: Кун Т.

Структура начных революций. М., Прогресс, 1977, стр. 274 – 292
27. Ильин И. Постмодернизм: словарь терминов. М., 2001. с.314
28. D.Lapotko, G.Kuchinsky, H. Antonishina, H.Scoromnik, Laser viability method for red blood cells state monitoring, Proc. SPIE, Vol. 2628,

Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring, eds. Hans-Jochen

Foth, Renato Marchesini, Halina Podbielska, Herbert Schneckenburger,

Michel Robert-Nicoud, 340-348, 1995
29. Lapotko, G. Kuchinsky, M. Potapnev, D. Pechkovsky, Photothermal image cytometry of human neutrophils. Cytometry 1996; 24: 198-203.
30. Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение. - М.: ДОСААФ,

1988. - 190с.
31. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. - М.: Энергоатомиздат,

1991. - 544с.
32. Кольман Е.В. Лазерная стимуляция биологических объектов как процесс взаимодействия неравновесных открытых систем // В сб. трудов Второй

Российской конференции «Физика в биологии и медицине» - М., 2001 г.
33. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Мир.: 1990
34. Климонтович Ю. Статистическая теория открытых систем. М.:ТОО “Янус”,

1995. 624 c.
35. И.Р.Пригожин. Постижение реальности // Природа, N6, 1998.

-----------------------

Рис. 3.1. Философский стиль мышления естество-испытателя на основе идей Дж.
Смарта и В. Куайна

Рис.4.4.1.1. Принцип термооптического метода

Страницы: 1, 2, 3