Методы биологии

Говоря о методах науки в широком смысле, имеют в виду не кон­кретные технологические приемы (методики), а методологические принципы, подходы к изучению объектов, явлений, их связей. В общем, мето­ды биологии те же, что и в других естественных науках.

Процесс научного познания принято разделять на две стадии: эмпирическую, связанную с получением конкретных научных фактов, и теоретическую, на которой эти факты объясняются. Однако это разделение не абсолютно, так как эмпирическая стадия, как правило, развивается на основе уже существующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии обычно возникает необходимость в повторной эмпирической проверке выдвигаемых новых гипотез.

На эмпирической стадии познания используются следующие методы.

Описательный метод, или наблюдение, – изучение объектов живой природы в естественных условиях существования. Это – непосредственное наблюдение и описание поведения, расселения, размножения животных и растений в природе, визуальное или инструментальное определение характеристик организмов, их органов, клеток, химический анализ соста­ва и обмена веществ. Для этих целей в современной биологии применяют как традиционные средства полевых исследований, так и сложное лабораторное оборудование.

Экспериментальный метод, или опыт, предполагает исследование жи­вых объектов в строго контролируемых условиях среды – от нормальных до экстремальных. Например, изучается состояние организмов при изменениях температуры, освещенности, влажности, при повышенной нагрузке, действии токсинов (ядов) или радиации, в условиях измененного режима или места развития (пересадка генов, клеток, органов, интродукция животных и растений, космические полеты). В биомедицинских работах экспериментальный метод позволяет выявлять эффекты (действие, влияние) новых лекарственных средств, пищевых добавок, физических факторов и иных способов лечения на организм человека или лабораторных животных. Для биолога с помощью экспериментального метода выявляются скрытые свой­ства, потенции, пределы адаптивных (приспособительных) возмож­ностей живых систем, степень их гибкости, надежности, измен­чивости.

Сравнительный метод позволяет сопоставлять строение, ход развития, химический состав, структуру генов и другие при­знаки у организмов разного уровня сложности. Опираясь на сравнительный метод, можно выявлять эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие, сохранившиеся в виде останков в палеонтологической летописи. Такой подход обозначают как исторический метод.

Любой из названных методов требует количественного учета и математического описания структур и явлений. Биология становится все более точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности но­сят обычно вероятностный характер и описываются методами ва­риа­цион­ной статистики. Это означает, что то или иное событие не строго детерминировано (предопределено), а ожидается с той или иной степенью вероятности. На основе выявляемых статистических закономер­ностей можно осуществлять математическое моделирование биологических структур и процессов, а также прогноз их развития. Например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через определенное время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников, интенсивности промысла и др.). При этом в расчет надо взять и случайные изменения в развитии системы, так что прогноз, как и сами биологические процессы, будет иметь не абсолютный, а вероятностный характер.

Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов новых “синтетических” наук XX века: тектологии – науки о системной организации, кибернетики – науки об управлении и информации, синергетики – науки о самоорганизации открытых систем. Синтетический характер этих наук определяется тем, что их законы применимы к самым разным областям знания – от квантовой физики и космологии до биологии и социологии. Дополняя и развивая друг друга, эти науки породили системный метод, т.е. целостный, междисциплинарный подход к исследованию сложных, в том числе биологических, объектов. Принципы системной организации справедливы для всех биологических уровней – от макромолекул до биосферы Земли. Эти принципы мы обсудим более предметно в соответствующих главах нашего пособия.

Широкое развитие системно-синергетических идей в современной науке, в том числе и в биологии, означает постепенный переходот преимущественно эмпирических исследований к теоретическим обобщениям, от анализа к синтезу. Анализ (греч. analysis – разложение, расчленение) – это разложение целого на части, углубление в структуру и функции отдельных элементов системы: внутри клетки, внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез (греч. synthesis – соединение, сочетание) означает интегративный, объединительный подход, изучение целостных характеристик системы – клетки, организ­ма, биоценоза. Исследование обычно совершается сначала от общего к частному (анализ), а потом от частного к общему, но на новом уровне пони­мания этого общего (синтез). По определению французского просветителя и философа Д. Дидро (XVIII век), анализ – это метод познания истины (через наблюдение, опыт, сравнение), а синтез – метод усвоения истины. Какая лаконичность и точность определения!

С аналитическим подходом в биологии связаны открытия химической и микроструктурной организации живой клетки, выяснение видового разнообразия среди животных, растений, грибов и микроорганизмов, выявление генетической неоднородности организмов внутри видов и популяций, другие внутренние характеристики систем. Постепенно объем накопленных аналитических данных становился достаточным для перехода к их синтезу. Так возникли современная молекуляр­но-клеточная биология, общая (не медицинская) иммунология, нейрогуморальная физиология, синтетическая теория эволюции.

Таким образом, по мере накопления новых научных фактов и развития системного мышления, в той или иной области познания периодически создаются условия для перехода от эмпирической стадии познания к теоретической. Теории складываются не сразу, а в процессе длительных научных поисков. От полу­чения фактов, через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез. Далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпи­рическая проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее подтверждению с той или иной степенью вероятности. “Наука – это кладбище гипотез”, – резонно замечал Анри Пуанкаре (французский математик конца XIX – начала XX веков), имея в виду, что лишь высоко достоверные гипотезы становятся законами, из них слагаются теории. Но и эти законы, теории носят относительный характер, так как рано или поздно могут быть пересмотрены.

В настоящее время в естествознании решается сложная задача – создание целостной научной картины мира. На этом пути полезной будет тернарная (тройственная) методология познания сложных объектов и явлений, возрождающаяся в современной синергетике и философии. Это методология синтетического мышления, противопоставляемая мышлению бинарными (двойственными) оппозициями (см.: Баранцев, 2003).

Нам привычно мыслить и оценивать вещи двухмерно, по крайним или противоположным качествам (тезис – антитезис): белое – черное, хорошее – плохое, объективное – субъективное, вещество – поле, наследственность – изменчивость, экономика – политика и т.д. При этом обычно ссылаются на принцип “борьбы и единства противоположностей”, только единство из сути этих понятий, как правило, ускользает. Метод познания, основанный на дихотомии (раздвоении), на поиске парных понятий (диад) или бинарных оппозиций (противопоставлений), более пригоден для анализа, когда последовательное разделение сложного объекта на части шаг за шагом раскрывает его внутреннюю структуру. В то же время на этапе научного синтеза необходимо искать такую целостную характеристику изучаемого объекта или явления, которая была бы лишена противоречий бинарного подхода. Для устойчивости мышления и надежности определений, даваемых природным вещам и явлениям, нужна как минимум триада, или тернарная структура, - совокупность из трех элементов. Уже выдающийся немецкий философ Георг Гегель (1770–1831) называл три ступени диалектического развития и познания: тезис, антитезис и синтез. Первые две ступени – инструмент анализа. Третий элемент – синтез – необходим для преодоления бинарных противоречий “как мера их компромисса, как третейский судья, как условие существования” (Баранцев, 2003). В борьбе противоположностей нужно видеть их единство.

Это непростая задача – искать трехмерные определения, когда сплошь и рядом мы рассуждаем категориями двухмерности. Тем не менее далее мы покажем, как известные нам факторы развития организма – наследственность и внешняя среда – органично дополняются механизмами самоорганизации; как механизм гомеостаза, построенный на сочетании прямых положительных и обратных отрицательных связей, сочетается с гомеокинезом, что создает условия для устойчивого развития биологических систем.

Приведем еще один пример системной триады, характеризующей сам механизм целостного восприятия мира в психике человека. Привычно считать, что наше отражение внешнего мира осуществляется работой органов чувств и головного мозга, что есть люди вспыльчивые и уравновешенные, у первых преобладают эмоции, у вторых – разум. Однако психологическая практика, да и физиологическая теория показывают, что целостное (синтетическое) восприятие окружающего мира достигается при сочетании рационального (умственного), эмоционального (чувственного) и интуитивного способов отражения действительности. Или, в другой трактовке, высшая нервная деятельность человека основана на сознательном, подсознательном и надсознательном восприятии мира. Интуиция, или надсознание, не просто дополняет разумное и чувственное восприятие мира, но гармонизирует их и позволяет прийти к правильному решению в тех трудных случаях, когда ни размышления, ни эмоции не в состоянии постичь реальность. Природа интуиции, или надсознания, не имеет пока четкого научного определения, но вряд ли кто-то возразит, что хотя бы единожды он не воспользовался подсказкой “свыше”. Также в классической триаде человеческого существа “тело – душа – дух” мы все еще затрудняемся найти биологические эквиваленты душе и тем более духу, но (опять же интуитивно) сознаем, что они должны быть. Наша задача – искать эти эквиваленты. В этом и высший долг, и прелесть, и огорчения науки – всегда быть в движении на пути к истине, понимая, что полная истина не познаваема.