Biofysik

Joe Bryan, når en populær og respekteret high-school principal i en lille Texas town, har været i fængsel i over 30 år. Han afsoner en 99 – årig dom for skyderiet og mordet på sin kone i 1985. Beviserne, der beskyldte ham, involverede pletter af offerets blod fundet på en håndholdt fakkel., Et Vidne, der blev bedømt som ekspert i retsmedicinsk teknik for blodmønsteranalyse (BPA), fortolkede disse pletter som at placere Bryan nær sin kone, da hun blev skudt – et vidnesbyrd, der var i spidsen for Bryans overbevisning. Det kørte stærkt som bevis på, at han i virkeligheden på en konference 120 miles væk – en mulighed, der gjorde det næsten umuligt for ham at have skudt sin kone, som han ville have haft til at forlade event, rejse hjem, begå mord og vende tilbage til konferencen inden for en bestemt tidsramme. Bryan fastholder sin uskyld til denne dag.,

beviser som dette, baseret på den fysiske opførsel af blodet genereret på et gerningssted, har rødder i slutningen af det 19.århundrede Europa. Det blev fremtrædende i USA i løbet af den berømte Sam Sheppard retssagen om mordet i 1955, og har spillet en vigtig rolle i andre mord forsøg da – herunder fodbold spiller og aktør O J Simpson (1994-1995, dom af ikke skyldig) og musik producer Phil Spector (2007-2009, genoptagelse af sagen dom for skyldige).,politiets efterforskere bruger BPA til at arbejde baglæns fra blodspor på et forbrydelsessted, så de kan rekonstruere placeringer og handlinger for de involverede mennesker og våben. Sporene omfatter drypper, udstrygninger og spatters, som skabes, når bloddråber udstråler fra virkningen af en kugle eller stump instrument, indtil de støder på en overflade og pletter den. Men ifølge en overraskende 2009-rapport fra US National Academy of Sciences (NAS), der stadig resonerer i dag, mangler BPA videnskabelig stringens og gyldig akkreditering for sine praktikere., Dette er en alvorlig bekymring, fordi BPA resultater har dømt folk senere vist sig at være uskyldige, som mange tror Bryan at være; og fordi manglende tillid til BPA analyse kan tillade de skyldige at gå fri. Som et resultat er det blevet vigtigt at revurdere fysikken bag BPA.

selv om USA fører verden i pistol ejerskab – der er 120 kanoner per 100 mennesker, og 64% af amerikanske drabssager er pistol-relaterede – andre lande har mange skyderier også., For eksempel involverer 30% af drabene i Canada kanoner, mens et dusin nationer, inklusive Brasilien, overstiger USA i deres antal pistoldød per 100,000 mennesker. Etablering af BPA ‘ s videnskabelige gyldighed kan derfor have en international indflydelse på håndteringen af verdens 250,000 årlige pistolrelaterede dødsfald ved at hjælpe med at kategorisere dem som drab eller selvmord-og i det tidligere tilfælde potentielt bringe gerningsmændene til retfærdighed.,

blodig adfærd

med hensyn til fysik er BPA-rekonstruktion et kompliceret problem i væskemekanik, der involverer sporing af blodets opførsel under forskellige kræfter og omgivende forhold. Udfordringen gøres vanskeligere, fordi blod er en kompleks væske, der indeholder både flydende (plasmaet) og faste (blodcellerne) komponenter. Desuden varierer blodets egenskaber – såsom dets pH eller antallet af røde blodlegemer – fra person til person.

men dette arbejde er mere end blot en akademisk øvelse., Det kan også have reelle effekter, ifølge Alicia Carri .uiry ved io .a State University i USA. Som en statistiker og direktør for Center for Statistik og Applikationer i Retsmedicinske Beviser (CSAFE) – som er finansieret af det AMERIKANSKE National Institute of Standards and Technology (NIST) – Carriquiry har en bred opfattelse af forensic science. “BPA er et af de områder, hvor videnskaben har meget at sige,” siger hun., “I modsætning til andre retsmedicinske discipliner, i BPA vi faktisk har fysiske og fluid-dynamiske modeller, der kan hjælpe med at besvare spørgsmål som dem, der har at gøre med forløb, oprindelsessted og lignende.”

grundlæggende videnskab er imidlertid ikke blevet anvendt godt på BPA, ifølge nas-rapporten fra 2009, der havde ret til styrkelse af retsmedicinsk videnskab i USA. Medformand af en fremtrædende amerikansk føderal dommer og en akademisk statistiker, det omfattede bidragydere fra relevante videnskabelige discipliner, herunder fysik., Generelt, bortset fra DNA-analyse, rapporten fandt mangler i stort set alle retsmedicinske teknik – herunder analyse af hår, fibre, fingeraftryk og bidemærker. “Fortolkningen af retsmedicinske beviser er ikke altid baseret på videnskabelige undersøgelser for at bestemme dens gyldighed,” udtalte den. “Dette er et alvorligt problem.”En separat rapport i 2016 fra den amerikanske præsidents Råd for rådgivere om videnskab og teknologi – skrevet af direktøren for Office of Science and Technology Policy sammen med et panel af forskere – gentog denne kritik.,

især for BPA bemærkede nas-rapporten kompleksiteten af væskedynamik og indikerede, at BPA-analytikere skulle forstå den involverede fysik. Men uden strenge uddannelsesmæssige krav til certificering som BPA – ekspert – de er kun uddannet til at følge emballerede procedurer-konkluderede rapporten ,at ” udtalelser fra bloodstain mønsteranalytikere er mere subjektive end videnskabelige…usikkerhederne forbundet med er enorme.,”I 2018 nåede te .as Forensic Science Commission lignende konklusioner om Bryan-sagen og kaldte fortolkningen af BPA-beviset “unøjagtigt” og “videnskabeligt uegnet”.

BPA kan stadig, korrekt brugt, give værdifulde ledetråde til at forstå omstændighederne ved en optagelse. For eksempel vil bloddråber, der rammer gulvet i en vinkel, skabe et sæt elliptiske pletter, hvis bredde-til-længde-forhold giver slagvinklen (figur 1). BPA-analytikere er uddannet til at tegne lineære baner, der følger den lange dimension af hver ellipse i den slagvinkel., Disse stier konvergerer, hvilket giver en position, hvorfra blodet stammer fra. Mens dette korrekt giver fremspringet på gulvet af placeringen af et skudssår, overvurderer den lineære procedure sårets højde, da de sande stier under tyngdekraften er parabler modificeret af aerodynamisk træk. Fejlen er typisk stor nok til fejlagtigt at placere et offer som stående snarere end at sidde.,

Dette er en af de etablerede BPA-metoder, som dybere fysisk analyse kan forbedre. I 2011 fysikere Christopher Varney og Fred Gittes på Washington State University, sætte projektilet-motion ligninger, herunder tyngdekraften og trække, i en form, der bruger alle de data, der er forbundet med et sæt af sprøjt blodpletter (Am. J. Phys. 79 838)., De fandt ud af, at et plot af slagvinklerne for pletterne versus den omvendte af deres vandrette afstande fra den lodrette slagakse giver et gyldigt resultat for højden, forudsat at lanceringsvinklerne for dråberne ikke er for bredt fordelt. I en test, der spredte en viskøs bloderstatning, brugte forskerne denne tilgang til at beregne den faktiske lanceringshøjde på 88 cm til inden for 8%. Til sammenligning overvurderede de lineære baner lanceringshøjden med 100%.,

i 2015 brugte Nick Laan fra University of Amsterdam og Netherlands Forensics Institute og kolleger i stedet blodets væskekvaliteter til at finde højden på et skudssår (Videnskabelige rapporter 5 11461). Tidligere arbejde havde afledt en ligning vedrørende anslagshastigheden af en flydende dråbe blod til dens volumen og slagvinkel, og bredden af den tørrede plet det produceres som bestemt af den kendte kapillær og tyktflydende opførsel af blod. For at anvende denne metode skabte forskerne sprøjtemønstre af humant blod under kontrollerede forhold., For hver af 40 separate blodpletter bestemte De dens bredde og slagvinkel, og ved hjælp af en kommerciel 3D-overfladescanner målte volumenet af pletten, hvorfra de fandt volumenet af det originale dråbe. Disse parametre gav slaghastigheden, hvilket gav tilstrækkelig information til at løse bevægelsesligningerne under tyngdekraften med aerodynamisk træk. Resultaterne for højden, hvor hver dråbe stammer fra, havde en gennemsnitlig værdi på 58, 5 cm, kun 8% under den sande højde på 63, 7 cm. I mellemtiden gav den lineære metode 91, 1 cm-en meget større 42% fejl.,

en kugles rejse

disse to papirer og andre analyserer adfærden af bloddråber, efter at de er dannet, for at forbedre standard BPA. Men mekaniske ingeniører og væske dynamicists Alexander Yarin og Patrick Comiskey fra University of Illinois i Chicago, sammen med Daniel Attinger på Iowa State, er gået videre. De har modelleret hele processen fra kuglen ind i kroppen til den endelige blod plet mønster.,

Da 2016 disse forskere har udviklet fluid dynamiske teorier for skud tilbage sprøjt og frem sprøjt, hvor blodet falder rejse henholdsvis mod og med den retning, det sure og vises forskellige egenskaber. Back-spatter analyse-udført for både regelmæssig (Phys. Rev. Væsker 1 043201) og stump-nosed (Phys. Rev. Væsker 2 073906) kugler – er baseret på den velkendte Rayleigh–Taylor ustabilitet., I denne effekt skaber acceleration vinkelret på grænsefladen mellem to væsker med forskellige tætheder – her blod og luft – voksende turbulens og blanding mellem væskerne. (Et bemærkelsesværdigt eksempel på ustabiliteten er de spektakulære filamenter, der ses i den ekspanderende Krabbetåge, hvor de to væsker består af materiale, der skubbes ud af Krabbens indledende supernovaeksplosion, og et plasma af relativistiske ladede partikler drevet af Krabbens centrale pulsar.,) I mellemtiden blev spatter, der blev forårsaget, når kuglen forlader en krop efter flere forstyrrende møder med blod og væv, behandlet forskelligt. Dens analyse anvendte perkolationsteori, som beskriver tilgængelige stier gennem tilfældigt arrangerede klynger.

for begge slags sprøjter beregnet forskerne antallet, størrelserne og de dynamiske egenskaber af bloddråberne genereret af en kugle; derefter bestemte deres baner under tyngdekraft og aerodynamisk træk., Endelig fandt holdet antallet af resulterende pletter, deres områder, slagvinkler og fordeling med hensyn til Afstand (figur 2).

Disse beregnede resultater for blod-sprøjt-distributioner er enig rimeligt godt med data, der er opnået ved at skyde kugler ind i svampe eller plastik skum gennemvædet med svin blod tilbage sprøjt, og via en blod-fyldt reservoir for frem sprøjt. Selvom forskerne bemærker, at der er behov for flere eksperimenter, er deres resultater betydelige skridt i retning af en reel, fysikbaseret teori om sprøjtning., Deres arbejde peger også på nye retninger for undersøgelse, såsom hvordan luft bæres sammen med bloddråber under flyvning, hvilket påvirker deres baner og virkningen af temperatur på blodviskositeten.

de teoretiske resultater indtil videre viser værdien af fluiddynamiktilgangen, men også at dens kompleksitet kan tilføje usikkerheder til analysen, for eksempel gennem de variable egenskaber ved blod og blodpletter., Udover temperatur afhænger viskositeten af blod også af procentdelen af røde blodlegemer, som varierer efter individ og kan påvirke tilgange som den, der anvendes af Laan og kolleger. Desuden kan egenskaberne på overfladen, som en bloddråbe rammer, ændre, hvordan den spreder sig og derfor påvirke pletten, den efterlader. Forvirrende elementer som disse bør tages i betragtning for fuldt gyldig BPA, der bærer vægt i retten, og kan begrænse krav om, hvad BPA definitivt kan vise. Der er bestemt meget tilbage at gøre.,

fra laboratorium til kriminalscene

efterhånden som videnskaben om BPA skrider frem, er en parallel udfordring at konvertere dens resultater til nye, praktiske og gennemsigtige procedurer for mordundersøgelser og retssalen præsentationer. Men BPA-udøvere har ikke helt hilst disse ændringer velkommen, som truer med at forstyrre etablerede feltprocedurer, en reaktion, der også findes andre steder i retsmedicinsk virksomhed., Ikke desto mindre, siger Carri .uiry, for mange emner inden for retsmedicinsk videnskab “har vi formået at gøre vigtige indhug og etableret nogle meningsfulde partnerskaber med retsmedicinske praktikere, der ser vores arbejde som et middel til at gøre deres mere objektive og ‘videnskabelige’ “. Disse partnere omfatter Houston Forensic Science Center og Los Angeles Police Department.

nu, med støtte fra CSAFE og andre amerikanske føderale agenturer, forskere arbejder specifikt for at styrke forbindelserne mellem BPA og fluid dynamics samfund, og at give praktikere med nyttige resultater., For eksempel har Attinger og medforfattere skrevet et tutorialpapir, hvor de diskuterer de kræfter, der spiller i væskedynamik, og hvordan de bestemmer adfærd af bloddråber på et kriminalitetsscene (Forensic Science International 231 375). Attinger har også offentliggjort diagrammer baseret på væskedynamik, der gør det nemt for efterforskere i marken at estimere den maksimale afstand, som et blodfald har rejst (Forensic Science International 298 97).,

3 Blodet og kugler i en lab

et eksempel på En af blod tilbage sprøjt på et kort for mål, der er produceret af forskere ved Iowa State University ved hjælp af set-up er vist i figur 4. Kuglehullet kan ses øverst til venstre på det midterste billede.,

I en anden indsats, Attinger team har udgivet tilbage-sprøjt mønstre af humant blod, der er produceret i laboratoriet ved skud (figur 3), med en stram kontrol med skydevåben og ammunition, der anvendes og den fysiske udformning (Data i Korte 22 269); og et andet sæt af blod mønstre er fremstillet ved stumpe instrumenter (Data i Kort 18 648). Disse giver billeder i høj opløsning af blodpletter, der genereres under forskellige forhold, til træning og forskningsbrug (figur 4)., I et projekt undersøger Hal Stern ved University of California–Irvine, en statistiker og meddirektør for CSAFE, billederne for særpræg, som praktikere kunne bruge til at skelne mellem mulige kilder til observerede spatters. I andre opsøgende, BPA-forskere præsenterer også foredrag og træningssessioner i professionelle samfund.

4 En iscenesættelse

den eksperimentelle opsætning, der bruges af Daniel Attinger og kolleger i io .a til at studere blodpletter.

desværre vil udbredt vedtagelse af mere streng BPA-praksis og-træning ikke komme hurtigt eller automatisk slette tidligere mangler, der producerede upålidelige beviser og falske beskyldninger. Det er heller ikke sandsynligt, at de juridiske standarder for accept af BPA-beviser vil ændre sig snart nok til at påvirke Joe Bryans kommende appel til en ny retssag., Denne anmodning blev afvist i 2018, men hans advokater forbereder nu en sidste grøftindsats for te .as Court of Criminal Appeals. Imidlertid, Bryan er næsten 80. Selv hvis en ny prøve er godkendt, kan det ikke komme i tide til at gøre ham noget godt.

uanset dette resultat har den omfattende dækning af Bryan-sagen sammen med NAS-rapporten og andre evalueringer af BPA afsløret sine problemer og motiverede fremskridt hen imod en bedre fysik i blodmønstre., Dette kan i det mindste sikre, at fremtidige blodbeviser vil være mere effektive til at identificere de sande gerningsmænd uden uretfærdigt at fordømme folk, der er uskyldige.