Biophysics

Joe Bryan, einst ein beliebter und angesehener Schulleiter in einer kleinen Stadt in Texas, ist seit über 30 Jahren im Gefängnis. Er verbüßt eine 99-jährige Haftstrafe für die Erschießung und Ermordung seiner Frau im Jahr 1985. Die Beweise, die ihn belasten, beinhalteten Blutflecken des Opfers, die auf einer Handfackel gefunden wurden., Ein Zeuge, der als Experte für die forensische Technik der Blutmusteranalyse (BPA) eingestuft wurde, interpretierte diese Flecken so, als würde er Bryan in die Nähe seiner Frau bringen, als sie erschossen wurde – ein Zeugnis, das an der Spitze von Bryan ‚ Überzeugung stand. Es überschritt die Beweise dafür, dass er tatsächlich auf einer 120 Meilen entfernten Konferenz war – ein Alibi, das es ihm fast unmöglich machte, seine Frau erschossen zu haben, da er die Veranstaltung hätte verlassen müssen, nach Hause reisen, Mord begehen und innerhalb eines bestimmten Zeitraums zur Konferenz zurückkehren müssen. Bryan behält seine Unschuld bis heute.,

Solche Beweise, die auf dem physischen Verhalten des am Tatort erzeugten Blutes beruhen, haben Wurzeln im Europa des späten 19. Es wurde in den USA während des berühmten Sam Sheppard Murder Trial in 1955 prominent und hat seitdem eine wichtige Rolle in anderen Mordprozessen gespielt – einschließlich der des Fußballspielers und Schauspielers O J Simpson (1994-1995, Urteil von nicht schuldig) und des Musikproduzenten Phil Spector (2007-2009, erneutes Urteil von schuldig).,

Die Ermittler der Polizei arbeiten mithilfe von BPA rückwärts aus Blutspuren an einem Tatort und ermöglichen es ihnen, die Orte und Handlungen der beteiligten Personen und Waffen zu rekonstruieren. Die Spuren umfassen Tropfen, Abstriche und Spatter, die entstehen, wenn Blutstropfen durch den Aufprall einer Kugel oder eines stumpfen Instruments ausstrahlen, bis sie auf eine Oberfläche stoßen und diese verfärben. Laut einem überraschenden Bericht der US National Academy of Sciences (NAS) aus dem Jahr 2009, der bis heute in Resonanz steht, fehlt es BPA jedoch an wissenschaftlicher Strenge und gültiger Akkreditierung für seine Praktiker., Dies ist ein ernstes Problem, da BPA-Ergebnisse Menschen verurteilt haben, die sich später als unschuldig erwiesen haben, wie viele glauben; und weil mangelndes Vertrauen in die BPA-Analyse es den Schuldigen ermöglichen kann, frei zu gehen. Infolgedessen ist es wichtig geworden, die Physik hinter BPA neu zu bewerten.

Obwohl die USA im Waffenbesitz weltweit führend sind – es gibt 120 Waffen pro 100 Menschen und 64% der US-Tötungsdelikte sind waffenbedingt – haben auch andere Länder viele Schießereien., Zum Beispiel betreffen 30% der Morde in Kanada Waffen, während ein Dutzend Nationen, einschließlich Brasilien, die USA in ihrer Todesrate von Waffen pro 100.000 Menschen übertreffen. Die Feststellung der wissenschaftlichen Gültigkeit von BPA könnte daher internationale Auswirkungen auf den Umgang mit den 250.000 jährlichen Todesfällen im Zusammenhang mit Waffen haben, indem sie dazu beitragen, sie als Morde oder Selbstmorde einzustufen-und im ersteren Fall möglicherweise die Täter vor Gericht zu stellen.,

Blutverhalten

In der Physik ist die BPA-Rekonstruktion ein kompliziertes Problem in der Strömungsmechanik, bei dem das Verhalten von Blut unter verschiedenen Kräften und Umgebungsbedingungen verfolgt wird. Die Herausforderung wird erschwert, da Blut eine komplexe Flüssigkeit ist, die sowohl flüssige (das Plasma) als auch feste (die Blutzellen) Komponenten enthält. Darüber hinaus variieren die Eigenschaften von Blut – wie sein pH – Wert oder die Anzahl der roten Blutkörperchen-von Person zu Person.

Aber diese Arbeit ist mehr als nur eine Akademische übung., Laut Alicia Carriquiry von der Iowa State University in den USA kann es auch echte Auswirkungen haben. Als Statistiker und Direktor des Center for Statistics and Applications in Forensic Evidence (CSAFE) – das vom US National Institute of Standards and Technology (NIST) finanziert wird – hat Carriquiry einen breiten Blick auf die Forensik. „BPA ist einer jener Bereiche, in denen die Wissenschaft viel zu sagen hat“, sagt sie., „Im Gegensatz zu anderen forensischen Disziplinen haben wir in BPA tatsächlich physikalische und fluiddynamische Modelle, die helfen können, Fragen zu beantworten, z. B. die, die mit Flugbahn, Herkunftsort und ähnlichem zu tun haben.“

Grundlegende Wissenschaft hat jedoch nicht gut, BPA-gemäß der 2009 NAS-Bericht, der berechtigt war, für die Stärkung der Rechtsmedizin in den Vereinigten Staaten. Unter dem Vorsitz eines angesehenen US-Bundesrichters und eines akademischen Statistikers umfasste es Beiträge aus relevanten wissenschaftlichen Disziplinen, einschließlich der Physik., Abgesehen von der DNA-Analyse stellte der Bericht im Allgemeinen Mängel bei praktisch jeder forensischen Technik fest-einschließlich der Analyse von Haaren, Fasern, Fingerabdrücken und Bissspuren. „Die Interpretation forensischer Beweise basiert nicht immer auf wissenschaftlichen Studien, um ihre Gültigkeit zu bestimmen“, heißt es. „Das ist ein ernstes problem.“Ein separater Bericht des Beraterrates des US – Präsidenten für Wissenschaft und Technologie aus dem Jahr 2016 – verfasst vom Direktor des Office of Science and Technology Policy zusammen mit einer Gruppe von Wissenschaftlern-wiederholte diese Kritik.,

Insbesondere für BPA stellte der NAS-Bericht die Komplexität der Fluiddynamik fest und wies darauf hin, dass BPA-Analysten die damit verbundene Physik verstehen sollten. Aber ohne strenge pädagogische Anforderungen für die Zertifizierung als BPA-Experte – sie sind nur darauf trainiert, verpackten Verfahren zu folgen-kam der Bericht zu dem Schluss, dass “ Die Meinungen von Blutfleckenmuster Analysten sind subjektiver als wissenschaftliche…Die Unsicherheiten sind enorm.,“Im Jahr 2018 kam die Texas Forensic Science Commission zu ähnlichen Schlussfolgerungen über den Bryan-Fall und nannte die Interpretation der BPA-Beweise „ungenau“ und „wissenschaftlich nicht unterstützend“.

Dennoch kann BPA bei richtiger Verwendung wertvolle Hinweise auf das Verständnis der Umstände einer Schießerei geben. Zum Beispiel erzeugen Blutstropfen, die schräg auf den Boden schlagen, eine Reihe elliptischer Flecken, deren Verhältnis von Breite zu Länge den Aufprallwinkel angibt (Abbildung 1). BPA-Analysten sind darauf trainiert, geradlinige Trajektorien zu zeichnen, die der langen Dimension jeder Ellipse in diesem Aufprallwinkel folgen., Diese Wege konvergieren und liefern eine Position, aus der das Blut stammt. Während dies den Vorsprung auf den Boden der Position einer Schusswunde korrekt ergibt, überschätzt das geradlinige Verfahren die Höhe der Wunde, da die wahren Wege unter der Schwerkraft Parabeln sind, die durch aerodynamischen Widerstand modifiziert werden. Der Fehler ist normalerweise groß genug, um ein Opfer fälschlicherweise als stehend und nicht als sitzend zu positionieren.,

Dies ist eine der etablierten BPA-Methoden, die eine tiefere physikalische Analyse verbessern kann. Im Jahr 2011 haben die Physiker Christopher Varney und Fred Gittes von der Washington State University die Projektilbewegungsgleichungen, einschließlich Schwerkraft und Widerstand, in eine Form gebracht, die alle Daten verwendet, die einem Satz Spritzer-Blutflecken innewohnen (Am. J. Phys. 79 838)., Sie fanden heraus, dass eine Darstellung der Aufprallwinkel für die Flecken gegenüber der Umkehrung ihrer horizontalen Abstände von der vertikalen Aufprallachse ein gültiges Ergebnis für die Höhe liefert, vorausgesetzt, dass die Startwinkel für die Tropfen nicht zu weit verteilt sind. In einem Test, der einen viskosen Blutersatz spritzte, verwendeten die Forscher diesen Ansatz, um die tatsächliche Starthöhe von 88 cm auf 8% zu berechnen. Zum Vergleich haben die linearen Trajektorien die Starthöhe um 100% überschätzt.,

Im Jahr 2015 verwendeten Nick Laan von der Universität Amsterdam und dem Niederländischen Forensikinstitut und Kollegen stattdessen die Flüssigkeitsqualitäten von Blut, um die Höhe einer Schusswunde zu ermitteln (Wissenschaftliche Berichte 5 11461). Frühere Arbeiten hatten eine Gleichung abgeleitet, die die Aufprallgeschwindigkeit eines flüssigen Bluttropfens auf sein Volumen und seinen Aufprallwinkel und auf die Breite des getrockneten Flecks, den er erzeugt, wie durch das bekannte kapillare und viskose Verhalten von Blut bestimmt, in Beziehung setzte. Um diese Methode anzuwenden, erstellten die Forscher Spritzmuster von menschlichem Blut unter kontrollierten Bedingungen., Für jede von 40 separaten Blutflecken bestimmten sie ihre Breite und ihren Aufprallwinkel und maßen mit einem handelsüblichen 3D-Oberflächenscanner das Volumen des Flecks, aus dem sie das Volumen des ursprünglichen Tropfens fanden. Diese Parameter ergaben die Aufprallgeschwindigkeit und gaben genügend Informationen, um die Bewegungsgleichungen unter der Schwerkraft mit aerodynamischem Widerstand zu lösen. Die Ergebnisse für die Höhe, aus der jeder Tropfen stammt, hatten einen Durchschnittswert von 58, 5 cm, der nur 8% unter der tatsächlichen Höhe von 63, 7 cm lag. In der Zwischenzeit ergab die geradlinige Methode 91,1 cm – ein viel größerer Fehler von 42%.,

A bullet ‚ s journey

Diese beiden Papiere und andere analysieren das Verhalten von Bluttropfen nach ihrer Bildung, um das Standard-BPA zu verbessern. Aber die Maschinenbauingenieure und Fluiddynamiker Alexander Yarin und Patrick Comiskey von der University of Illinois in Chicago sind zusammen mit Daniel Attinger im Bundesstaat Iowa weiter gegangen. Sie haben den gesamten Prozess von der Kugel, die in den Körper eindringt, bis zum endgültigen Blutfleckenmuster modelliert.,

Seit 2016 haben diese Forscher fluiddynamische Theorien für Gunshot Back Spatter und Forward Spatter entwickelt, bei denen Bluttropfen jeweils gegen und mit der Richtung des Geschosses wandern und unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die Back-Spatter-Analyse-durchgeführt für beide regelmäßige (Phys. Rev. (1 043201) und stumpf-nosed (Phys. Rev. (2 073906) Bullets – basiert auf der bekannten Rayleigh-Taylor–Instabilität., In diesem Effekt erzeugt die Beschleunigung senkrecht zur Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte-hier Blut und Luft – wachsende Turbulenzen und Vermischungen zwischen den Flüssigkeiten. (Ein bemerkenswertes Beispiel für die Instabilität sind die spektakulären Filamente, die im expandierenden Krabbennebel zu sehen sind, wo die beiden Flüssigkeiten Material enthalten, das durch die anfängliche Supernova-Explosion der Krabbe ausgestoßen wird, und ein Plasma relativistisch geladener Teilchen, die vom zentralen Pulsar der Krabbe angetrieben werden.,) In der Zwischenzeit wurde Forward Spatter, verursacht, wenn die Kugel nach mehreren störenden Begegnungen mit Blut und Gewebe aus einem Körper austritt, anders behandelt. Seine Analyse verwendete Perkolationstheorie, die verfügbare Pfade durch zufällig angeordnete Cluster beschreibt.

Für beide Arten von Spritzern berechneten die Forscher die Zahlen, Größen und dynamischen Eigenschaften der von einer Kugel erzeugten Blutstropfen.dann bestimmte ihre Flugbahnen unter Schwerkraft und aerodynamischem Widerstand., Schließlich fand das Team die Anzahl der resultierenden Flecken, ihre Bereiche, Aufprallwinkel und Verteilung in Bezug auf die Entfernung (Abbildung 2).

Diese berechneten Ergebnisse für die Blutspritzer-Verteilungen stimmen einigermaßen gut mit den Daten überein, die durch Schießen von Kugeln in Schwämme oder mit Schweineblut getränkten Plastikschaum für Rückspritzer und durch ein blutgefülltes Reservoir für Vorwärtspritzer erhalten wurden. Obwohl die Forscher bemerken, dass mehr Experimente benötigt werden, sind ihre Ergebnisse signifikante Schritte zu einer echten, physikbasierten Theorie des Spritzens., Ihre Arbeit weist auch auf neue Studienrichtungen hin, z. B. wie Luft mit Blutstropfen im Flug mitgeführt wird, was ihre Flugbahnen beeinflusst, und wie sich die Temperatur auf die Blutviskosität auswirkt.

Die bisherigen theoretischen Ergebnisse zeigen den Wert des Fluiddynamikansatzes, aber auch, dass seine Komplexität der Analyse Unsicherheiten hinzufügen kann, beispielsweise durch die variablen Eigenschaften von Blut und Blutflecken., Neben der Temperatur hängt die Viskosität des Blutes auch vom Prozentsatz der roten Blutkörperchen ab, der je nach Individuum variiert und Ansätze wie die von Laan und Kollegen verwendeten beeinflussen kann. Darüber hinaus können die Eigenschaften der Oberfläche, auf die ein Bluttropfen trifft, die Ausbreitung verändern und daher den Fleck beeinflussen, den er hinterlässt. Verwirrende Elemente wie diese sollten für einen vollständig gültigen BPA berücksichtigt werden, der vor Gericht Gewicht trägt, und kann Ansprüche darüber einschränken, was BPA definitiv zeigen kann. Sicher, es bleibt noch viel zu tun.,

Vom Labor zum Tatort

Mit fortschreitender BPA-Wissenschaft besteht eine parallele Herausforderung darin, die Ergebnisse in neue, praktische und transparente Verfahren für Morduntersuchungen und Gerichtssaal-Präsentationen umzuwandeln. Aber BPA-Praktiker haben diese Änderungen nicht ganz begrüßt, die etablierte Feldverfahren zu stören drohen, eine Reaktion auch anderswo in der Forensik Einrichtung gefunden., Dennoch, sagt Carriquiry, für viele Themen in der Forensik „haben wir es geschafft, wichtige Fortschritte zu machen und einige sinnvolle Partnerschaften mit Forensikern aufzubauen, die unsere Arbeit als Mittel sehen, um ihre objektiver und „wissenschaftlicher“ zu machen.“ Zu diesen Partnern gehören das Houston Forensic Science Center und das Los Angeles Police Department.

Jetzt arbeiten Forscher mit Unterstützung von CSAFE und anderen US-Bundesbehörden speziell daran, die Verbindungen zwischen BPA und Fluid Dynamics zu stärken und Praktikern nützliche Ergebnisse zu liefern., Zum Beispiel haben Attinger und Co-Autoren ein Tutorial-Papier verfasst, in dem sie die in der Fluiddynamik spielenden Kräfte diskutieren und wie sie das Verhalten von Bluttropfen an einem Tatort bestimmen (Forensic Science International 231 375). Attinger hat auch Diagramme veröffentlicht, die auf der Fluiddynamik basieren und es Forschern auf diesem Gebiet erleichtern, die maximale Entfernung, die ein Bluttropfen zurückgelegt hat, abzuschätzen (Forensic Science International 298 97).,

3 Blut und Kugeln in einem Labor

Ein Beispiel für Blutrückspritzer auf einem Kartenziel, das von Forschern der Iowa State University unter Verwendung des in Abbildung 4 gezeigten Setups erstellt wurde. Das Einschussloch ist oben links im mittleren Bild zu sehen.,

In einem weiteren Versuch hat Attingers Team Back-Spatter-Muster von menschlichem Blut veröffentlicht, die im Labor durch Schuss erzeugt wurden (Abbildung 3), mit strenger Kontrolle der verwendeten Schusswaffen und Munition und der physikalischen Anordnung (Daten in Kürze 22 269); und ein zweiter Satz von Blutmustern, die von stumpfen Instrumenten erzeugt wurden (Daten in Kürze 18 648). Diese liefern hochauflösende Bilder von Blutflecken, die unter verschiedenen Bedingungen erzeugt werden, für Training und Forschung (Abbildung 4)., In einem Projekt untersucht Hal Stern von der University of California–Irvine, Statistiker und Co-Direktor von CSAFE, die Bilder auf Besonderheiten, mit denen Praktiker zwischen möglichen Quellen für beobachtete Spatter unterscheiden können. In anderen Outreach präsentieren BPA-Forscher auch Vorträge und Schulungen in Fachgesellschaften.

4 Eine inszenierte Szene

Der experimentelle Aufbau, der von Daniel Attinger und Kollegen in Iowa verwendet wurde, um Blutflecken mit Spritzern zu untersuchen.

Leider wird die weit verbreitete Annahme strengerer BPA-Praktiken und-Schulungen nicht schnell erfolgen oder frühere Mängel, die zu unzuverlässigen Beweisen und falschen Anschuldigungen führten, automatisch beseitigen. Es ist auch nicht wahrscheinlich, dass sich die rechtlichen Standards für die Annahme von BPA-Beweisen bald genug ändern werden, um Joe Bryan ‚ s bevorstehende Berufung auf einen neuen Prozess zu beeinflussen., Dieser Antrag wurde 2018 abgelehnt, aber seine Anwälte bereiten jetzt eine letzte Anstrengung vor dem Texas Court of Criminal Appeals vor. Bryan ist jedoch fast 80. Selbst wenn ein neuer Prozess genehmigt wird, kann es nicht rechtzeitig kommen, um ihm etwas Gutes zu tun.

Was auch immer dieses Ergebnis sein mag, die umfassende Berichterstattung über den Bryan-Fall zusammen mit dem NAS-Bericht und anderen Bewertungen von BPA hat seine Probleme aufgedeckt und Fortschritte auf dem Weg zu einer besseren Physik der Blutmuster motiviert., Dies kann zumindest sicherstellen, dass zukünftige Blutnachweise wirksamer sind, um die wahren Täter zu identifizieren, ohne unschuldige Menschen zu Unrecht zu verurteilen.