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

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.

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.

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.

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.