Методика и организация биологического исследования

5) новая и более глубокая постановка проблем и выдвижение гипотез достигается в результате критической дискуссии;

6) углубление проблем и гипотез (теорий) обеспечивает прогресс в науке, точнее рост научного знания.

Биология как естественная наука исследует живую составляющую природы. В настоящее время в биологии формируются четыре направления, в которых создаются теоретические и исследовательские построения:

1) эволюционное, соответствующее принципу эволюционизма и воплощающее идею исторического развития органического мира. Его стержневая идея – синтетическая теория эволюция;

2) физико-химическое (сущностное), отвечающее принципу и идее причинности и сходное в некоторых отношениях с теоретической физикой (например, концепции об антиэнтропийности живого вещества и устойчивого неравновесия и работы системных сил);

3) формальное, реализующее принцип и идею системности и характеризующееся применением в биологических исследованиях положений общей теории систем и синергетики;

4) феноменологическое, описательное или фактологическое, ориентированное на наблюдаемые особенности и свойства изучаемого биологического объекта, явления или процесса.

Для образовательной практики важно не только знание тех направлений, в русле которых создаются теоретические конструкции, но и понимание особенностей эмпирического и теоретического знания, которое выступает базовой составляющей специальной научно-исследовательской подготовки биолога.

Результаты биологических (энтомологических и любых других) исследований во многом зависят от того, какую методологию выберет исследователь. В современном наукознании сформировались и продолжают формироваться различные методологии и теории, каждая из которых претендует на звание «универсальной», или «абсолютной». К первым можно отнести: диалектику, математику, синергетику; ко вторым – теорию систем и теорию циклов. Но прежде, чем начать их обсуждение, несколько вводных установок.

Термин «метод» (греч. metodos), определяющий смысловое ядро, понятия «методология», в самом широком смысле слова – «путь к чему либо», способ социальной деятельности в любой ее форме, а не только в познавательной. Отсюда, понятие «методология» имеет несколько значений:

1) учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности;

2) учение о принципах построения, формах и способах научного познания.

Таким образом, методология – это система определенных способов, приемов и операций, применяемой в той или иной сфере деятельности (науке, искусстве, политике и т.п.) и учение об этой системе, теория метода. Так, методология науки исследует структуру и развитие научного знания, средства и методы научного исследования, способы обоснования его результатов, механизмы и формы реализации знания в практике.

В данной связи, метод (в той или иной своей форме) сводится к совокупности определенных правил, приемов, способов, норм познания и действия. Он есть система предписаний, которая дисциплинирует поиск истины, позволяет экономить силы и время, придает результатам исследования обоснованность и доказательность. Основная задача метода – регулирование познавательной и иных форм деятельности.

В современных методологических концепциях обычно стараются избегать крайностей (недооценивать или абсолютизировать) в оценке роли метода в исследовании. В них указывается недопустимость недооценки роли методологии или абсолютизации каких-либо методов как «единственно верных», подчеркивается необходимость освоения многообразных методологических подходов (методологический плюрализм).

Любой метод разрабатывается на основе определенной теории, которая тем самым выступает его необходимой предпосылкой. Эффективность, сила каждого метода обусловлена содержательностью, глубиной и фундаментальностью теории, которая «сжимается в метод».

В процессе научного познания нельзя «разводить» предмет и метод, видеть в последнем только внешнее, независимое средство по отношению к предмету и лишь «налагаемое» на него чисто внешним образом. Истинность метода всегда обусловлена, прежде всего, содержанием предмета (объекта) исследования. Кроме того, метод не может существовать отдельно от субъекта (по Фейербаху: «Человек – центр всей методологии»). И еще одно замечание: многообразие видов человеческой деятельности обуславливает многообразный спектр методов, которые могут быть классифицированы по самым различным основаниям (критериям). В нашем случае в качестве критерия классификации выступает сформированность теоретической базы. Итак, перейдем к рассмотрению существующих методологий:

Диалектика (греч. dialektike – веду беседу, спор) – учение о наиболее общих законах развития Природы, общества и познания и основанный на этом учении универсальный метод мышления и действия (антиподом диалектики является «метафизика»). Известно несколько основных форм диалектики – античная (Гераклит, Платон, Зенон); немецкая идеалистическая (Кант, Фихте, Гегель) и материалистическая (Маркс, Энгельс, Ленин); английская (Бэкон). Диалектический метод исходит из того, что если в объективном мире происходит постоянное развитие, возникновение и уничтожение всего, взаимопереходы явлений, то понятия, категории и другие формы мышления должны быть гибки, подвижны, взаимосвязаны, едины в противоположностях. Поэтому, важнейшим принципом диалектики является историзм – рассмотрение предмета в его развитии, самодвижении, изменении.

Окружающий нас мир представляет собой единое целое, определенную систему, где каждый предмет как единство многообразного неразрывно связан с другими предметами и все они постоянно взаимодействуют друг с другом. Отсюда вытекает один из основных принципов материалистической диалектики – всесторонность рассмотрения. Кроме историзма и всесторонности, диалектический метод включает в себя и другие принципы – объективность, конкретность, детерминизм, «раздвоение единого» и др. Эти принципы формулируются на основе соответствующих законов и категорий, в своей совокупности отражающих единство, целостность объективного мира в его беспрерывном развитии. Основные категории диалектики: развитие, противоречие, причина и следствие, необходимость и случайность, общее и единичное, качество и количество, содержание и форма и др. Законы диалектики: единства и борьбы противоположностей, перехода количественных изменений в качественные, отрицания отрицания.

Математика (греч. mathema – знание, наука; по В. Далю – наука о величинах и количествах; все, что можно выразить цифрой принадлежит математике; по определению Ф. Энгельса «чистая математика имеет своим объектом количественные отношения и пространственные формы действительного мира…»). Принципиально область применения математического метода не ограничена: все виды движения материи могут изучаться математически. Математика как особый инструментарий, логика исследования пронизывает глубоко все естествознание. А теоретическое естествознание вообще немыслимо без элементарного математического представления его основных законов. Более трех веков назад Галилей сказал так: «Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу…». Типичными примерами господства математического метода являются космология и небесная механика. С переходом от механики к физике еще не происходит заметного уменьшения роли математического метода, однако значительно возрастают трудности его применения. Несмотря на возникающие трудности, сейчас почти не существует области физики, не требующей употребления весьма развитого математического аппарата.

В биологических науках математический метод играет подчиненную роль. Объясняется это не принципиальной невозможностью математического изучения биологических явлений, а их большим качественным разнообразием.

Существенным остается значение математики для социальных дисциплин (в форме подсобной науки). Проникновение математического мышления в другие науки породило интегративные процессы. Слияние техники и математики воплотилось в электронных машинах, появились математическая физика, математическая география, математическая логика, математическая статистика, математическое моделирование.

Особенно эффективной оказывается математика при необходимости использования системного подхода к изучению Природы. Однако роль и значение математического метода в различных случаях различно. Никакая определенная математическая схема не исчерпывает всей конкретности действительных явлений.

Синергетика (греч. synergos – вместе действующий) – учение, основанное на идеях системности или, можно сказать, целостности и мира и научного знания о нем, общности закономерностей развития объектов всех уровней материальной и духовной организации, нелинейности (т.е. многовариантности и необратимости), глубинной взаимосвязи хаоса и порядка (случайности и необходимости). Синергетика дает новый образ мира. Этот мир сложно организован. Он открыт, т.е. является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим миром. Он эволюционирует по собственным законам. Последнее означает, что этот мир полон неожиданных поворотов, связанных с выбором путей дальнейшего развития. Есть основания предположить, что в связи с интенсивным развитием синергетики в науке происходит сейчас не меньшая, а, скорее всего, даже более глубокая, и масштабная по своему характеру революция, чем научная революция, вызванная возникновением на рубеже нашего века теории относительности и квантовой механики. Синергетика – и в этом ее своеобразие – не только синтезирует фрагменты обыденного и отчасти научного, дисциплинарно разбросанного знания, но даже связывает эпохи – древность с современностью, с новейшими достижениями науки, – а также принципиально различные, восточный и западный, способы мышления и мировосприятия. От Востока синергетика воспринимает и развивает далее идею о целостности (все во всем) и идею общего закона, единого пути – пути Дао, которому следует и мир в целом и человек в нем. А от Запада она берет традиции анализа, опору на эксперимент, общую значимость научных выводов, их транслируемость (от одной школы в науке к другой, от науки – к обществу в целом) через научный текст, особый математический аппарат и даже запись на дискете компьютера.

Синергетика как мировидение несет в себе немалый гуманистический потенциал. Основной пафос, лейтмотив синергетики состоит в том, чтобы попытаться описать сначала на качественном уровне посредством некоторых фундаментальных идей и образов, а затем, возможно, и посредством одного и того же математического языка взаимоподобные процессы развития в сложных системах физики, химии, биологии, географии, социологии. Тогда может появиться возможность найти оптимальные для человека «сценарии», пути развертывания событий и даже в глобальном мировом масштабе и овладеть способами управления процессами развития. Осознание этой возможности несет в себе надежды на выживание в нашем необычайно сложном мире с множеством грозящих катастроф: ядерной, экологической (необратимые воздействия человека на окружающую среду, скажем, возникновение «озоновой дыры» и т.п.), генетической (возрастание роли мутагенов), биологической (СПИД).

Каково место синергетики в ряду других наук? Синергетика изучает открытые (обменивающиеся веществом и энергией с внешним миром, иными словами, имеющие источники и стоки энергии) нелинейные (описывающиеся нелинейными уравнениями) системы. Предмет синергетики – механизмы самоорганизации, т.е. механизмы самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения макроскопических упорядоченных структур, имеющие место в такого рода системах. Механизмы образования и разрушения структур, механизмы перехода от хаоса к порядку и обратно не зависят от конкретной природы атомов, молекул или целых подсистем. Они присущи и миру природных (живых и неживых), и миру человеческих, социальных процессов. Синергетика важна в первую очередь как подход к пониманию развития открытых нелинейных систем, как особый стиль мышления, т.е. своей методологической и эвристической стороной.

Синергетика имеет свой собственный язык. Это язык таких понятий, как «аттракторы» и «бифуркации», «фрактали» и «детерминированный хаос». Понятие «аттрактор», скажем, близко к понятию «цель». Последнее можно раскрывать в самом широком, внечеловеческом смысле как целеподобность, направленность поведения нелинейной системы, «конечное состояние» (разумеется, относительно конечное, завершающее лишь некоторый этап эволюции) системы. Под аттрактором в синергетике понимают относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает (лат. attrahere – притягивать) к себе все множество «траекторий» системы, определяемых разными начальными условиями. Состояние покоя мяча на дне ямы – это аттрактор движения мяча.

То, что называется в синергетике бифуркацией, имеет глубокие аналогии в культуре. Фактически представления о бифуркации уже содержатся в сказочных образах. Когда сказочный рыцарь, добрый молодец стоит, задумавшись, у придорожного камня на развилке дорог и выбор пути определяет его дальнейшую судьбу, то это и является, по сути, наглядно-образным представлением бифуркации в жизни человека (дилемма).

Эволюцию биологических видов нередко представляют в виде эволюционного древа. Оно наглядно иллюстрирует поле ветвящихся путей эволюции живой природы. Прохождение через точки ветвления, совершенный «выбор» закрывает иные, альтернативные пути и делает тем самым эволюционный процесс необратимым. Эволюционное древо в биологии, по существу аналогично диаграмме бифуркаций в синергетике.

На уровне математического описания бифуркация означает ветвление решений нелинейного дифференциального уравнения. Физический смысл бифуркации таков: точка бифуркации – это точка ветвления путей эволюции системы. Теперь можно несколько иначе определить и нелинейную систему – это такая система, которая «таит» в себе бифуркации.

Фрактали, фрактальные объекты (или множество; «вложенные объекты») – еще одно любопытное явление, изучаемое в теории самоорганизации. Фракталями называются такие объекты, которые обладают свойством самоподобия, или, как еще говорят, масштабной инвариантности. Это означает, что малый фрагмент структуры такого объекта подобен другому, более крупному фрагменту или даже структуре в целом. Установлено, что в природе довольно часто встречаются фрактальные формы. Типичные фрактальные формы – это облака или береговая линия моря (реки), их рисунок сходен, повторяется в различных масштабах; это и различные уровни организации живого.

Свойство фрактальности имеет аналогии в глубинах философской мысли, а именно, в философских представлениях о монадности элементов мира. Каждая монада, по Лейбницу, отражает как в зеркале свойства мира в целом. Этот же образ присутствует в восточном принципе мировидения «все в одном и одно во всем». Известны утверждения типа: «какова семья, таково и общество», «каков человек, таков и окружающий мир (общество)» и т.д. Согласно предположению советского физика М.А. Маркова, возможно, существует элементарная частица, называемая фридмоном, которая заключает в себе весь мегамир. Все эти представления различных культур по-разному выражают свойство монадности мира, или, выражаясь языком синергетики, свойства фрактальности объектов мира.

Итак, синергетика раскрывает общие, универсальные механизмы самоорганизации. Она делает понятными те законы, по которым складывается, пишется, удивляющий ученых единый рисунок событий в самых разных областях и масштабах действительности. Каковы же некоторые из этих механизмов?

Во-первых, имеется структурная общность, единая симметрия форм в живой и неживой природе. Например. Спиральные рукава Галактики, каковой является и наша Галактика – Млечный Путь, а также спиральные вихри циклона и антициклона в атмосфере Земли подобны спиральной форме раковин улитки, рогов некоторых животных, перьев птиц.

Во-вторых, существует функциональная общность процессов самоорганизации. Динамическая устойчивость сложных процессов самоорганизации и саморазвития поддерживается благодаря следованию законам ритма, циклической смены состояний: подъем ? спад ? застой ? подъем и т.д. Это то, что выражалось на Востоке как ритмы смены инь-ян. И живое, и неживое, и человек, и мир – все подчиняется этим «ритмам жизни». Скажем, раздувание и схлопывание наблюдаемой Вселенной подобно дню и ночи человека, смене его бодрствования и сна. А творческая активность человека подвержена таким же колебаниям, как и общественные процессы (непрерывная смена, чередование политических и экономических подъемов и спадов).

В-третьих, синергетика вновь открывает случайность как элемент мира. Случайность играет особую, творческую роль в процессах самоорганизации, т.к. хаос, беспорядок, случайности необходимы для рождения нового. Хаос есть конструктивное начало, основа для процесса развития. Случайность может приводить к новому макроскопическому состоянию, к новой макроструктуре, даже несоизмеримой с ней самой, даже к катастрофическим последствиям. Теперь мы знаем, когда это происходит. В том случае, если случайность пространственно согласована с соответствующей формой самоструктуризации среды.

Нетрадиционен, принципиально важен следующий взгляд на случайность, вытекающий из результатов синергетики. Случайность есть творческое, конструктивное начало. Она строит мир. Ибо она способна сыграть роль того механизма, той силы, которая выводит систему на аттрактор, на одну из собственных структур среды, на внутреннюю тенденцию ее организации. Нелинейная среда (система) начнет сама себя выстраивать, организовывать, но необходим хаос (случайности) для инициирования, начального пускового механизма этого процесса.

Рождение нового в Природе можно назвать, пожалуй, творчеством самой Природы, употребляя латинский эквивалент этого слова, креативностью Природы. Если синергетика поможет раскрыть механизмы творчества природы, механизмы рождения нового вообще, тогда возникнет доступ к пониманию способов функционирования и управления интеллектуальным и социальным творчеством человека.

Теория систем или «системно-информационная концепция» (от греч. systema – целое, составленное из частей, соединение) – совокупность общенаучных методологических принципов (требований), в основе которых лежит рассмотрение природных объектов как систем (идеи системного анализа, т.е. рассмотрения свойств целого через свойства его частей, сформулировал в 30-х годах нашего века Л. Берталанфи.) К числу этих требований относятся: а) выявление зависимости каждого элемента от его места и функций в системе, с учетом того, что свойства целого несводимы к сумме свойств его элементов; б) анализ того, насколько поведение системы обусловлено как особенностями ее отдельных элементов, так и свойствами ее структуры; в) исследование механизма взаимодействия системы и среды; г) изучение характера иерархичности, присущего данной системе; д) обеспечение всестороннего многоаспектного описания системы; е) рассмотрение системы как динамичной, развивающейся целостности.

Таким образом, под системой понимается организация множества взаимодействующих элементов, функционально образующих единое целое.

Теория систем пользуется своей терминологией. Прежде всего, любая система состоит из элементов. Элемент – это любая материальная частица мира: от бесконечно малых, до невероятно больших величин. В каждом конкретном случае элемент может быть множеством, сложностью, упорядоченностью, организацией и подсистемой, входящей по иерархии в более организованную систему. Множество – это простая совокупность элементов. Сложность – уже совокупность разнообразного множества. Если к этому качеству прибавляется разнообразие в отношении порядка, то это объединение рассматривается как упорядоченность. Упорядоченность – представляет собой разнообразие элементов или множеств, сформированных в определенном порядке. Если между элементами или множествами прослеживаются связи, то такое формирование определяется как организация. Организация – это упорядоченное разнообразие отношений и связей элементов множества. И, наконец, если к организации добавляется взаимодействие, определяющее целостность, – это уже система. Система – это организация множества функционально взаимодействующих элементов, образующих единое целое. Структура это инвариант системы в морфологическом масштабе с относительно устойчивыми связями и отношениями.

Теория систем очень тесно связана с теорией информации. Информация – это всеобщее свойство материи, объективно отражающее реальные свойства неживой и живой природы, общества, свойства мышления и познания. Информацию можно разделить на несколько видов: элементарную – в неживой Природе; биологическую – в живой Природе; логическую; антропологическую, социальную.

Как быть, если нам не полностью известны характеристики, определяющие взаимосвязь частей в целом? В научных исследованиях так чаще всего и бывает. Как правило, имеется неполная информация о целом, его частях и о связях между частями, и, тем не менее, необходимо найти целое. Аналитического решения такая задача не имеет. Решение задачи в «лоб» в некоторых случаях может дать метод перебора. Перебор вариантов есть следствие недостаточности информации. Это обменная операция – обменивается неосведомленность на время («чем меньше знаем, тем дольше ищем»).

Основная задача исследований – это борьба с перебором, т.е. поиск ограничивающих «слепой» перебор правил. Законы Природы – это совокупность правил, запрещающих определенные варианты перестановок и сочетаний, получаемых из комбинаторного анализа. При исследовании каждый бит дополнительной информации сокращает перебор. В исследованиях имеют дело с несколькими каналами получения информации (научный эксперимент, известные законы Природы, осведомленный консультант и т.д.). Системный подход в технике состоит в синтезе системы с заданными свойствами на основе известного функционального набора элементов. Такой синтез можно считать «прямой задачей». В биологии и физике фактически ставится «обратная задача» – по поведению уже существующей системы необходимо восстановить ее организацию.

Все эти общие положения теории систем и теории информации («системно-информационная концепция») дают методологическую основу для глубокого понимания всей системы «Природы», а также прогнозирования ее поведения в ближайшем и отдаленном будущем.

Теория циклов (теория цикла, от греч. kyklos – круг) – совокупность взглядов на все природные явления и процессы как постоянные, противоречивые, циклические (генератором данной теории в новейшее время являлся ставропольский ученый – химик и философ Юрий Николаевич Соколов).

В глубокой древности возник взгляд, согласно которому источником самодвижения и саморазвития мира является противоречие. Противоречие – это взаимосвязь двух противоположностей. Этот взгляд получил название диалектики. Согласно диалектике, противоречие – это как бы «душа» реальности. Мы думаем, что именно анализ взаимосвязи противоположностей – в противоречии должен дать нам единый, универсальный принцип строения Природы.

Пусть объект А имеет некоторое противоречие. Противоположность этого противоречия обозначим условно как «+» и «-». Противоречие в процессе жизни объекта А и, следовательно, всей материи. Возникает следующий вопрос – что должно произойти с противоречием, чтобы оно одновременно изменилось и сохранилось? Для выполнения этих условий существует единственный вариант – противоположности противоречия должны перейти друг в друга. Плюс становится минусом, а минус – плюсом. Противоречие объекта А

, таким образом, как бы перевернется, перейдет в противоположное, зеркальное.

Изменение противоречия повлечет за собой изменение объекта А