Эмпирические основания биофизики

Актуальность исследования.

Взаимосвязь живого и неживого в окружающем нас мире и способы получения знания об этом мире становились актуальными в различные периоды истории философии, начиная с ее возникновения и до наших дней. Рассмотрение специфики эмпирических оснований биофизики соединяет в себе оба эти вопроса и подразумевает обращение к ним с учетом последних достижений в области естественных наук. Акцент на конкретно-научное содержание выделяет наиболее фундаментальные уровни представлений о физических свойствах организмов. В дополнение к этому, в научных экспериментах, ведущихся в области пересечения физики и биологии, особым образом высвечиваются значимые для современной философии аспекты соотношения рационального и эмпирического.

Рассматривая особенности взаимосвязи живого и неживого на материале современной биофизики, необходимо отметить, что онтологические аспекты этой проблемы, в данном контексте, неразрывно связаны с эпистемологическими аспектами. Разнообразие современных научных исследований, существование значительно отличающихся (нередко противоречащих друг другу) представлений об одних и тех же явлениях влечет за собой вопрос о том, какие из них наиболее адекватны, по каким критериям можно оценить соответствие научных концепций реальности. Ключевую роль в решении этого вопроса играет согласованность теоретического содержания исследования с эмпирическими основаниями. Далеко не во всех случаях обращение к «свидетельству самой природы» является беспроблемным. Естественнонаучный эксперимент, обеспечивающий исследования эмпирическими основаниями, имеет сложную структуру и может вызывать неоднозначные интерпретации, как на стадии постановки, так и при обсуждении результатов. Иногда проблемы имеют чисто технический характер, но основной интерес для философского исследования представляют методологические аспекты.

Условия для биофизического эксперимента связаны с условиями, в которых возможна жизнедеятельность. По сравнению с масштабами, которыми оперируют современные наука и техника, это достаточно узкий диапазон, включающий условия, комфортные для человека, познающего окружающий мир. В этой ситуации на передний план выходят особенности, связанные с собственно методологическими аспектами экспериментального исследования: значением теоретической составляющей, ролью и функцией приборов, воспроизводимостью результатов.

Не самым важным с точки зрения философии, но не менее актуальным является прикладной аспект данного исследования. Научная практика современной биофизики требует глубокого осмысления. Атмосфера первых Сольвеевских конгрессов, где в спорах, связанных с формированием новой научной картины мира привлекались как научные, так и философские аргументы, редко сопутствует спорам современных ученых. Именно поэтому выход за рамки уже сложившихся представлений так сложен для исследователей в области биофизики, даже тогда, когда следование сложившимся методам встречает непреодолимые препятствия. Только при помощи философской рефлексии возможно выделить среди проблем, стоящих за экспериментом, те из них, которые невозможно решить на техническом уровне и найти путь к возможному преодолению.

Степень разработанности проблемы.

Можно выделить три основных направления, связанных с темой диссертационного исследования, в которых велись наиболее активные разработки: сопоставление физики и биологии, соотношение эмпирического и теоретического в эксперименте и дескриптивные работы в истории и социологии науки.

Обширнейшая тема сопоставления и противопоставления живого и неживого разрабатывалась в философии со времени ее возникновения. С появлением науки современного типа научные гипотезы о происхождении жизни тесно сплелись с философскими концепциями. Огромную значимость здесь имеет эволюционная теория, предварительные схемы которой можно увидеть в работах Ж.-Б. Ламарка. Концепции наследственности, изменчивости и естественного отбора Ч. Дарвина позволили сформулировать эволюционную концепцию, заметно изменившую науку о живом и ставшую основной базой для дальнейшего развития эволюционных представлений. С развитием генетики, раскрывшей механизмы наследственности и изменчивости, трудами Р. Фишера, Дж. Холдейна, Н.В. Тимофеева-Ресовского, Ф. Г. Добржанского была сформулирована синтетическая теория эволюции. Различные аспекты эволюционной теории и критики ее положений становятся темой многочисленных научных и философских дискуссий.

Вопрос о специфике биологии и физики возникал в рамках философских исследований, связанных с классификацией наук. Это было одной из значимых тем для первой волны позитивизма и нашло отражение в работах О. Конта и Г. Спенсера. В рамках выявления специфики в настоящее время обсуждается вопрос о статусе научных законов физике и биологии. Реалист Дж. Дж. Смарт полагает, что в биологии собственно законов не существует, есть только эмпирические обобщения, имеющие локальный 4 характер и не обладающие статусом всеобщности. Отсутствие всеобщих законов ставит биологию в положение «вторичной» науки, по сравнению с физикой. Н. Картрайт с позиций современного эмпиризма возражает, что только законы биологии устанавливают факты и поэтому могут считаться истинно научными законами, в то время как абстрактные формулировки физических законов не говорят о положении дел в «реальном мире».

В июне 2011 года журнал «Исследования истории и философии биологии и биомедицины» (Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences) посвятил отдельный выпуск вопросам взаимодействия физики и биологии в научных исследованиях. Характерно, что основной акцент в опубликованных работах философско-методологической направленности был сделан именно на различиях, связанных с особенностями моделирования, уровнями объяснения и общностью законов. В то же время работы исторической направленности представили замечательные примеры успешных исследований в междисциплинарной области. Анализ возможностей преодоления противоречий в концепциях и методах и выявление источников успеха взаимодействия при пересечении физики и биологии, насколько нам известно, не становились предметом самостоятельного научного исследования.

Поскольку фокусом данного диссертационного исследования является не просто биофизика, но особенности обращения к эмпирическим основаниям в этой области, необходимо отметить степень разработанности темы, связанной с философией научного эксперимента. Корни вопроса о соотношении эмпирического и теоретического в научных исследованиях уходят глубоко в историю науки и философии. Полемика эмпиризма и рационализма, отмеченная яркими фигурами Ф. Бэкона, Р. Декарта, И. Ньютона, Г. Лейбница, Дж. Локка, Б. Спинозы, Дж. Беркли, Д. Юма, обострялась в различные периоды развития философии.

Возможность преодоления противопоставления позиций эмпиризма и рационализма была показана Л. Б. Баженовым через выделение генетического и методологического тезисов. Между тезисами генетического эмпиризма и методологического рационализма нет непосредственного противоречия. Противоречие возникает только тогда, когда категории явления и сущности, связанные с этими позициями, либо отождествляются, либо резко обособляются. В результате акцент в решении вопроса о соотношении эмпиризма и рационализма переносится на вопрос о взаимосвязи явления (наблюдаемого) и сущности (ненаблюдаемого, являющегося причиной наблюдаемых явлений). По признаку наблюдаемости разделял эмпирические и теоретические сущности Р. Карнап. Осознавая всю условность проводимой границы, 5 философ, тем не менее, настаивал на том, что наблюдаемое и ненаблюдаемое на практике обычно достаточно четко выражено.

Вопросы о сложной взаимосвязи наблюдаемого и ненаблюдаемого в практике научного эксперимента рассматривались в работах П. Галисона, X. Радцера, А. Франклина, Я. Хакинга, Г. Хона. Большей частью на материале физического эксперимента. На материале физики получены основные результаты и российскими специалистами в философии науки Е. А. Мамчур и B.C. Степиным. Последним в рамках «деятельностного подхода» выделены жестко зафиксированные структуры, формирующиеся экспериментатором через выстраивание определенной цепочки отношений взаимодействующих в опыте объектов. Такие «квазиприборные» структуры хорошо объясняют экспериментальную деятельность, ведущуюся в условиях высокоразвитой теории. Ведение экспериментального поиска в условиях концептуальных и методологических противоречий требует дальнейшего исследования.

В середине XX века стали популярными работы по социологии науки, носящие во многом дескриптивный характер. Биофизические исследования являются очень популярной темой для этого направления. Работы Дж. Гилберта, М. Малкея, Ф. Холмса, М. Бресадола, М. Пикколино, акцентируя внимание на «тонких деталях» научного эксперимента, обращаются к материалам неопубликованных лабораторных журналов и «кулуарной» полемики. Такие детали, как показано в данных работах, не соответствуют идеалам, выработанным в нормативной философии науки. Необходимость представлять результаты в соответствии с общепринятыми нормами приводит к существованию двух типов интерпретационного репертуара в обсуждениях научных исследований, становится предметом научного юмора.

Упомянутые авторы намеренно избегают глубоких философских и методологических выводов, опасаясь повторить ошибки исследователей, которые подгоняли исторические факты под свои концепции. Нет ничего удивительного в том, что биофизические исследования изобилуют контрпримерами к стандартным концепциям философии эксперимента, разработанным большей частью при обращении к материалу отдельных дисциплин. Но все выделенные особенности требуют осмысления на более глубоком философском уровне, позволяющем от конкретно-научных примеров перейти к общей философско-методологической концепции научного эксперимента, непротиворечиво включающей физические, биологические и биофизические способы обращения к эмпирическим основаниям.

Необходимо отметить, что при всем богатстве научных разработок, касающихся проблем взаимосвязи живого и неживого, проблем соотношения рационального и 6 теоретического остается немало пробелов и противоречий в этой области. Системное и комплексное исследование, фокусом которого являются эксперименты в биофизике, может выделить важнейшие философские и методологические аспекты, остававшиеся скрытыми в контексте других подходов.

Объектом исследования являются эмпирические методы исследования в области пересечения биологии и физики.

Предметом исследования являются методологические особенности биофизического эксперимента, ведущегося в условиях концептуальных противоречий.

Цель и задачи исследования

.

Цель исследования состоит в выявлении и анализе методологических особенностей экспериментов, ведущихся в поле пересечения разнородных концепций физики и биологии.

Для реализации заявленной цели поставлены и решаются следующие задачи:

— проанализировать взаимосвязь физики и биологии в области пересечения и выделить проблемное поле, связанное со спецификой данной области;

— выявить особенности биофизических экспериментов, проводившихся в условиях противоречий, связанных с изучением электрических явлений на основе механистических концепций, применяемых к биологическим объектам;

— рассмотреть особенности современного биофизического эксперимента, связанного с исследованиями, включающими не согласующиеся концепции, что оптимально разбить на две подзадачи: а) показать существование концептуальных противоречий в некоторой области современных биофизических исследований, б) проанализировать особенности экспериментов, связанных с выделенной проблемной областью;

— провести методологический анализ выявленных особенностей на более общих и хорошо изученных примерах, связанных с обращением к эмпирическим основаниям в условиях концептуальных противоречий, связанных с формированием новой научной картины мира;

— рассмотреть основные свойства эмпирических структур, выявленных в ходе предшествующего методологического анализа;

— проанализировать выделенные проблемы биофизического эксперимента в свете разработанных эмпирических опосредующих структур.

Методологическая основа исследования.

Выбор метода исследования был определен стремлением преодолеть недостатки двух основных способов философского анализа естественных наук. Первый из них, 7 фокусируясь на какой-либо философской проблеме, подбирает отдельные конкретно-научные факты, вырывая их из контекста исследования, что нередко сопровождается искажением и неверной интерпретацией. При таком подходе исследуется не наука, а её образ, удобный для иллюстрации философских положений, но имеющий сомнительное отношение к научной работе. Второй связан с исследованиями, ставшими популярными во второй половине XX века, когда в стремлении дать наиболее правдивую картину научной работы, исследователи ограничивались описанием наблюдаемой ситуации, стараясь избегать анализа и обобщений.

Была выбрана трех ступенчатая схема исследования: анализ конкретно-научного материала (исторические факты и собственная научная практика), выделение ключевой проблемы- (а) рассмотрение выделенной проблемы на более общем и абстрактном уровне- (111) возвращение к конкретно-научному уровню и переинтерпретация с учетом полученных решений.

Одним из основных методологических принципов, использовавшихся в работе, является принцип дополнительности. Рассмотрение проблемы с разных точек зрения, нередко противопоставленных, дает возможность выделить отдельные аспекты в наиболее выраженной форме и сформировать из взаимодополняющих представлений полную картину.

Также использовался принцип историзма для выявления аспектов, связанных со становлением и развитием научного эксперимента. Анализ особенностей методологии на материале современных научных работ нередко затруднен. Высокий уровень научной интеграции приводит к тесному переплетению социальных и методологических аспектов исследований. Сложность и многоплановость современных концепций требует дополнительных разъяснений, отвлекающих от философско-методологического анализа. Обращаясь к историческому материалу, можно найти примеры исследований со сходными проблемами, успешно преодоленными на определенном этапе. Ключевые особенности сосредоточены в небольшом количестве наиболее известных трудов экспериментаторов прошлого.

Научная новизна исследования состоит в том, что впервые осуществляется попытка проанализировать методологию эксперимента, обратившись к проблемным исследованиям на стыке двух наук. Выделены эмпирические опосредующие структуры, проанализированы их свойства.

Основные выводы и положения, выносимые на защиту: 1. В биофизических исследованиях возможны ситуации, когда биологические и физические аспекты тесно переплетены, но при этом включают противоречия, 8 связанные с категориями часть и целое, живое и неживое, действующей и телеологической причинностью. Именно в этой области невозможно непротиворечиво сочетать сравнительно хорошо исследованные методы биологического и физического экспериментов.

2. Возможность получать значимые экспериментальные результаты, опираясь на нерелевантную теорию, в случае исследований Гальвани и Вольта, была связана с обнаружением эффекта, визуализирующего не наблюдаемые непосредственно электрические явления. Это позволило сконструировать «дотеоретический» прибор и получить значимые результаты в условиях плохой воспроизводимости.

3. В исследованиях, связанных с переходом к свойствам живой клетки от свойств составляющих ее биологических молекул есть противоречия, связанные с тем, что масштабы явлений попадают в область с фрактальным типом симметрии и промежуточную между квантовым и классическим уровнем.

4. В выделенной области существуют проблемы экспериментальных исследований, связанные с соотношением эмпирического и теоретического, отсутствием надежных приборов и плохой воспроизводимостью результатов.

5. Особенностью эмпирического обоснования утверждений в исследованиях, связанных с формированием научной картины мира, является использование комбинации явлений, позволяющей выявить ненаблюдаемые в обычных условиях характеристики и получить их количественную меру. Это свойственно обращению к эмпирическим основаниям в диалоге Галилея, а в оптических исследованиях Ньютона можно выделить развитые эмпирические опосредующие структуры, обладающие как теоретическими, так и эмпирическими свойствами.

6. Эмпирические опосредующие структуры — это несколько взаимосвязанных явлений, скомбинированных в такую систему, которая позволяет по воспринимаемым органами чувств характеристикам судить о свойствах, недоступных для непосредственного наблюдения.

7. Свойства эмпирических опосредующих структур:

• являются сетью взаимосвязанных явлений (невозможен атомарный эмпирический факт).

• структуры в общем случае не сводимы к линейной последовательности высказываний без потери информации.

• прочно связаны с одной стороны с реальными объектами, с другой стороны — с данными органов чувств экспериментатора.

• построение эмпирических опосредующих структур зависит от методологических принципов, которые направляют, но не детерминируют жестко способы исследования.

8. Получение результатов, выходящих за пределы простого накопления фактов в условиях концептуальных противоречий возможно, если поиск направлен на построение эмпирической опосредующей структуры и не предопределен теоретическими положениями однозначным образом. Любой прибор — это зафиксированная и хорошо опробованная эмпирическая опосредующая структура. Проблемы с интерпретацией результатов в условиях плохой воспроизводимости экспериментов могут быть преодолены построением альтернативной структуры, использующей для опосредования явления, не связанные со структурой, вызывающей сомнения.

9. Методологическая специфика биофизического эксперимента, ведущегося в условиях концептуальных противоречий, с необходимостью включающего в объект исследования множество разноуровневых взаимосвязанных процессов, связана с использованием достаточно сложных эмпирических опосредующих структур. В таких условиях они должны гибкими, изменяясь в процессе развития научных представлений, и разветвленными, чтобы обеспечивать возможность независимой проверки отдельных элементов.

Теоретическое и практическое значение результатов исследования связано с выделением эмпирических опосредующих структур, теоретическая значимость которых выходит за пределы собственно биофизических исследований. Анализ сложной структуры эмпирического опосредования может дать возможность рассмотреть различные роли теоретической составляющей эксперимента в условиях, изменяющихся в зависимости от степени разработанности исследуемой области. Результаты могут быть использованы для понимания и объяснения статуса и роли приборов в научных исследованиях.

Практическое значение полученных результатов связано, прежде всего, с использованием в постановке и интерпретации биофизических экспериментов.

Апробация исследования. Основные положения и результаты диссертационного исследования отражены в 7 статьях в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК по теме философия, а также 5 публикациях в других изданиях. Конкретно-научные аспекты диссертационного исследования опубликованы в 5 статьях в специализированных научных изданиях, одно из которых входит в базу цитирования SCOPUS.

Основные выводы и теоретические положения настоящей диссертации были изложены на всероссийских и региональных семинарах, конференциях и конгрессах: ХЫ международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2003 г.), летних философских школах «Голубое озеро — 2003»: Трансляция философского знания: наука, образование, культура (Новосибирск, 2003) и «Голубое озеро — 2004»: Риск в философском измерении (Новосибирск, 2004), IV Международном Конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2006) Всероссийской научной конференции с международным участием «Философия науки и инновационные технологии в науке и образовании» (Томск, 2007), V Российском философском конгрессе «Наука. Философия. Общество» (Новосибирск, 2009), региональной научной конференции молодых ученых Сибири в области гуманитарных и социальных наук «Актуальные проблемы гуманитарных и социальных исследований» (Новосибирск, 2010), Сибирском философском семинаре «Интеллектуальные ценности в современной России: Философия. Наука. Инновации.» (Новосибирск, 2011).

Заключение

и выводы.

В работе были затронуты темы, сложность и многогранность которых не позволяет в рамках одного диссертационного исследования представить детально проработанное рассмотрение. То обстоятельство, что обращение к эмпирическим основаниям в биофизике одновременно связано и с проблемой взаимосвязи живого и неживого, и с проблемой соотношения рационального и эмпирического, вынужденно вовлекает в фокус внимания довольно широкий круг вопросов, каждый из которых может стать отдельной темой исследования.

Особенно это касается первого раздела «физика и биология — особенности пересечения». В рамках данной диссертационной работы основная цель этого разделапоказать существование неисследованной области и очертить проблемное поле для дальнейшего анализа методологии биофизического эксперимента. В таком контексте концептуальные противоречия между физикой и биологией являются не предметом исследования, а призваны обозначить условия, в которых обращение к эмпирическим основаниям наиболее затруднено. Поэтому такие вопросы, как «где граница между живым и неживым?», «как соотносятся целое и его части?», «научны ли телеологические объяснения?» отмечаются, но остаются в работе без ответа.

Не менее сложной проблемой является вопрос, связанный со специфическими особенностями динамики внутриклеточных сред. В работе отмечается, что совпадают характерные масштабы нескольких явлений, еще не объясненных в рамках современной науки. С этими же характерными масштабами связан вопрос о существовании в подобных средах макроскопической квантовой когерентности. В рамках философского анализа невозможно ответить на вопрос, является ли случайным совпадение масштабов фрактально-подобной структуры цитоскелета, среднетепловой энергии при температурах, комфортных для живых организмов, колебательных движений макромолекул, где возможно выполнение условий на фрелиховскую бозе-конденсацию и границы применимости квантового либо классического подходов. Решение этого вопроса является делом будущего, возможно отдаленного. Целенаправленный поиск эмпирических опосредующих структур, которые позволили бы связать особенности динамики данного масштаба с наблюдаемыми эффектами, мог бы приблизить искомое решение.

В условиях столкновения физических и биологических концепций и методологических установок обостряются основные проблемы философии эксперимента, связанные с соотношением эмпирического и теоретического, ролью прибора и количественных аспектов экспериментальных результатов. Разработка подходов к решению этих проблем связана с выделением в научном эксперименте эмпирических опосредующих структур, обладающих как теоретическими, так и эмпирическими свойствами.

Эмпирические опосредующие структуры — это несколько взаимосвязанных явлений, скомбинированных в такую систему, которая позволяет по воспринимаемым органами чувств характеристикам судить о свойствах, недоступных для непосредственного наблюдения.

Выделенные структуры обладают следующими свойствами:

• это комбинация взаимосвязанных явлений (не соответствующая одиночному, атомарному эмпирическому факту).

• структуры невозможно свести к линейной последовательности высказываний (кроме вырожденных случаев) без потери информации.

• прочно связаны с одной стороны с реальными объектами, с другой стороны — с данными органов чувств экспериментатора (чувствительны к материальной реализации эксперимента, к деталям, теряющимся при абстрагировании, и не являются «чистыми» ощущениями).

• построение структур зависит от методологических принципов, общих аналогий, которые направляют, но не детерминируют жестко исследования.

• отдельные элементы структур могут подвергаться независимым апробациям и перекрестным проверкам, обеспечивая возможность корректировки условий эксперимента и теоретической интерпретации результатов.

• могут выполнять функции предварительных «дотеоретических» приборов при исследовании новой области. Любой прибор — это зафиксированная и хорошо откалиброванная эмпирическая опосредующая структура.

Методологическая специфика биофизического эксперимента, ведущегося в условиях концептуальных противоречий, с необходимостью включающего в объект экспериментирования множество разноуровневых взаимосвязанных процессов, связанна с использованием достаточно сложных эмпирических опосредующих структур. В таких условиях эмпирические структуры должны быть гибкими, обеспечивая возможность корректировки в процессе развития научных представлений. Проблемы, связанные с невозможностью контроля всех вовлеченных в эксперимент факторов, влекущие сложности воспроизведения результатов, могут быть частично преодолены подбором такой комбинации условий, которая обнаруживает яркий, нередко парадоксальный для восприятия эффект.

Выделенные эмпирические опосредующие структуры могут сыграть большую роль в оценке соотношения эмпирического и теоретического в научном познании. В современной философии науки адекватная оценка роли теоретической и эмпирической составляющей эксперимента сильно затруднена, поскольку термины определены недостаточно четко. Под «теоретическим» может подразумеваться все, что выходит за рамки непосредственно воспринимаемого органами чувств. Существует и более узкое значение этого термина, связанное с существованием в науке системы взаимосвязанных утверждений и доказательств относительно какой-либо предметной области.

То, что при постановке любого эксперимента обязательно задействуются те или иные теоретические положения является общепризнанным в современной философии науки. Основные разногласия связаны с ролью теоретических положений и с оценкой возможности выйти за пределы исходных концепций в ходе экспериментального исследования. Выделение опосредующей структуры может позволить классифицировать различные типы эксперимента и оценить значение предварительных гипотез, допущений и мировоззренческой составляющей в получении результата.

Для того чтобы выделенные структуры могли служить инструментом анализа в философии науки, необходимо рассмотреть различные типы эмпирического опосредования, найти адекватную терминологию для учета «теорий» разного уровня и связей между отдельными элементами структуры. Это может стать предметом дальнейшей работы в данной области философии науки.