Biophysics (Italiano)

Joe Bryan, una volta un popolare e rispettato preside di scuola superiore in una piccola città del Texas, è stato in prigione per oltre 30 anni. Sta scontando una condanna a 99 anni per la sparatoria e l’omicidio di sua moglie nel 1985. Le prove che lo incriminavano riguardavano macchie di sangue della vittima trovate su una torcia portatile., Un testimone, che è stato valutato come esperto nella tecnica forense dell’analisi del sangue (BPA), ha interpretato questi punti come mettere Bryan vicino a sua moglie quando è stata colpita – una testimonianza che era in prima linea nella convinzione di Bryan. Ha superato le prove compensative che era in realtà in una conferenza a 120 miglia di distanza – un alibi che ha reso quasi impossibile per lui aver sparato a sua moglie, poiché avrebbe dovuto lasciare l’evento, tornare a casa, commettere omicidio e tornare alla conferenza entro un periodo di tempo specifico. Bryan mantiene la sua innocenza fino ad oggi.,

Prove come questa, basate sul comportamento fisico del sangue generato su una scena del crimine, hanno radici nell’Europa della fine del xix secolo. È diventato prominente negli Stati Uniti durante il famoso processo per omicidio di Sam Sheppard nel 1955, e ha svolto un ruolo importante in altri processi per omicidio da allora-compresi quelli del giocatore di football e attore O J Simpson (1994-1995, verdetto di non colpevolezza) e produttore musicale Phil Spector (2007-2009, nuovo verdetto di colpevolezza).,

Gli investigatori della polizia utilizzano il BPA per lavorare a ritroso dalle tracce di sangue su una scena del crimine, consentendo loro di ricostruire le posizioni e le azioni delle persone e delle armi coinvolte. Le tracce includono gocce, strisci e spruzzi, che vengono creati quando gocce di sangue si irradiano dall’impatto di un proiettile o di uno strumento contundente fino a quando non incontrano una superficie e la macchiano. Ma secondo un sorprendente rapporto del 2009 della National Academy of Sciences (NAS) degli Stati Uniti che risuona ancora oggi, il BPA manca di rigore scientifico e di accreditamento valido per i suoi professionisti., Questa è una seria preoccupazione perché i risultati BPA hanno condannato le persone in seguito dimostrato di essere innocente, come molti credono Bryan di essere; e perché la mancanza di fiducia in analisi BPA può consentire il colpevole di andare libero. Di conseguenza, è diventato essenziale rivalutare la fisica alla base del BPA.

Anche se gli Stati Uniti guidano il mondo nella proprietà delle armi – ci sono 120 pistole ogni 100 persone, e il 64% degli omicidi degli Stati Uniti sono legati alle armi-altri paesi hanno molte sparatorie troppo., Ad esempio, il 30% degli omicidi in Canada riguarda le armi, mentre una dozzina di nazioni, incluso il Brasile, superano gli Stati Uniti nel loro tasso di morti per armi ogni 100.000 persone. Stabilire la validità scientifica del BPA potrebbe quindi avere un impatto internazionale sull’affrontare le 250.000 morti annue legate alle armi del mondo contribuendo a classificarle come omicidi o suicidi e, nel primo caso, potenzialmente portare i colpevoli alla giustizia.,

Comportamento sanguinante

In termini di fisica, la ricostruzione del BPA è un problema complicato nella meccanica dei fluidi che comporta il tracciamento del comportamento del sangue, in varie forze e condizioni ambientali. La sfida è resa più difficile perché il sangue è un fluido complesso contenente sia componenti liquidi (il plasma) che solidi (le cellule del sangue). Inoltre, le proprietà del sangue – come il suo pH o il numero di globuli rossi – variano da persona a persona.

Ma questo lavoro è più di un semplice esercizio accademico., Può anche avere effetti reali, secondo Alicia Carriquiry presso l’Iowa State University negli Stati Uniti. Come statistico e direttore del Center for Statistics and Applications in Forensic Evidence (CSAFE) – che è finanziato dal National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti – Carriquiry ha una visione ampia della scienza forense. “Il BPA è una di quelle aree in cui la scienza ha molto da dire”, dice., “Al contrario di altre discipline forensi, in BPA abbiamo in realtà modelli fisici e fluidodinamici che possono aiutare a rispondere a domande come quelle che hanno a che fare con traiettoria, punto di origine e simili.”

La scienza fondamentale, tuttavia, non è stata ben applicata al BPA, secondo il rapporto NAS del 2009, intitolato Strengthening Forensic Science negli Stati Uniti. Co-presieduto da un illustre giudice federale degli Stati Uniti e da uno statistico accademico, ha incluso contributori di discipline scientifiche rilevanti, tra cui la fisica., In generale, fatta eccezione per l’analisi del DNA, il rapporto ha rilevato carenze praticamente in ogni tecnica forense – compresa l’analisi di capelli, fibre, impronte digitali e segni di morsi. “L’interpretazione delle prove forensi non è sempre basata su studi scientifici per determinarne la validità”, ha affermato. “Questo è un problema serio.”Un rapporto separato nel 2016 del Consiglio dei consulenti per la scienza e la tecnologia del presidente degli Stati Uniti – scritto dal direttore dell’Office of Science and Technology Policy insieme a un gruppo di scienziati – ha fatto eco a questa critica.,

Per il BPA in particolare, il rapporto NAS ha rilevato la complessità della fluidodinamica e ha indicato che gli analisti BPA dovrebbero comprendere la fisica coinvolta. Ma senza severi requisiti educativi per la certificazione come esperto di BPA – sono addestrati solo a seguire procedure confezionate – il rapporto ha concluso che “Le opinioni degli analisti del modello di macchia di sangue sono più soggettive che scientifiche with Le incertezze associate sono enormi.,” In 2018 la Commissione scientifica forense del Texas ha raggiunto conclusioni simili sul caso Bryan, definendo l’interpretazione delle prove BPA “imprecisa” e “scientificamente non supportata”.

Ancora, correttamente utilizzato, BPA può dare preziosi indizi verso la comprensione delle circostanze di una sparatoria. Ad esempio, gocce di sangue che colpiscono il pavimento con un angolo creeranno una serie di macchie ellittiche, il cui rapporto larghezza-lunghezza dà l’angolo di impatto (figura 1). Gli analisti BPA sono addestrati a disegnare traiettorie rettilinee che seguono la dimensione lunga di ogni ellisse a quell’angolo di impatto., Questi percorsi convergono, fornendo una posizione da cui ha avuto origine il sangue. Mentre questo dà correttamente la proiezione sul pavimento della posizione di una ferita da arma da fuoco, la procedura in linea retta sopravvaluta l’altezza della ferita, poiché i veri percorsi sotto gravità sono parabole modificate dalla resistenza aerodinamica. L’errore è in genere abbastanza grande da posizionare erroneamente una vittima come in piedi piuttosto che seduta.,

Questo è uno dei metodi BPA stabiliti che un’analisi fisica più profonda può migliorare. Nel 2011 i fisici Christopher Varney e Fred Gittes della Washington State University hanno messo le equazioni del proiettile-movimento, tra cui la gravità e la resistenza, in una forma che utilizza tutti i dati inerenti a una serie di macchie di sangue spruzzi (Am. J. Phys. 79 838)., Hanno scoperto che una trama degli angoli di impatto per le macchie rispetto all’inverso delle loro distanze orizzontali dall’asse verticale di impatto dà un risultato valido per l’altezza, a condizione che gli angoli di lancio per le gocce non siano troppo distribuiti. In un test che spruzzava un sostituto del sangue viscoso, i ricercatori hanno utilizzato questo approccio per calcolare l’altezza effettiva di lancio di 88 cm entro l ‘ 8%. Per confronto, le traiettorie lineari hanno sovrastimato l’altezza di lancio del 100%.,

Nel 2015 Nick Laan, dell’Università di Amsterdam e dell’Istituto forense olandese, e colleghi hanno invece utilizzato le qualità fluide del sangue per trovare l’altezza di una ferita da arma da fuoco (Scientific Reports 5 11461). Il lavoro precedente aveva derivato un’equazione relativa alla velocità di impatto di una goccia liquida di sangue al suo volume e all’angolo di impatto e alla larghezza della macchia secca prodotta, determinata dal noto comportamento capillare e viscoso del sangue. Per applicare questo metodo, i ricercatori hanno creato schemi di spruzzi di sangue umano in condizioni controllate., Per ciascuna delle 40 macchie di sangue separate, ne hanno determinato la larghezza e l’angolo di impatto e, utilizzando uno scanner di superfici 3D commerciale, hanno misurato il volume della macchia, da cui hanno trovato il volume della goccia originale. Questi parametri hanno prodotto la velocità di impatto, fornendo informazioni sufficienti per risolvere le equazioni del movimento sotto gravità con resistenza aerodinamica. I risultati per l’altezza in cui ogni goccia ha avuto origine avevano un valore medio di 58,5 cm, solo l ‘ 8% al di sotto dell’altezza reale di 63,7 cm. Nel frattempo, il metodo rettilineo ha dato 91,1 cm – un errore del 42% molto più grande.,

A bullet’s journey

Questi due documenti e altri analizzano il comportamento delle gocce di sangue dopo che sono state formate, per migliorare il BPA standard. Ma gli ingegneri meccanici e fluidodinamici Alexander Yarin e Patrick Comiskey dell’Università dell’Illinois a Chicago, insieme a Daniel Attinger dell’Iowa State, sono andati oltre. Hanno modellato l’intero processo dal proiettile che entra nel corpo alla macchia di sangue finale.,

Dal 2016 questi ricercatori hanno sviluppato teorie fluidodinamiche per lo spruzzo di arma da fuoco e lo spruzzo in avanti, in cui le gocce di sangue viaggiano rispettivamente contro e con la direzione del proiettile e mostrano caratteristiche diverse. L’analisi back-spruzzi-effettuata sia per regolare (Phys. Rev. Fluidi 1 043201) e dal naso smussato (Phys. Rev. Fluids 2 073906) bullets – si basa sulla ben nota instabilità di Rayleigh–Taylor., In questo effetto, l’accelerazione perpendicolare all’interfaccia tra due fluidi di densità diverse – qui, sangue e aria – crea crescente turbolenza e miscelazione tra i fluidi. (Un notevole esempio dell’instabilità sono i filamenti spettacolari visti nella Nebulosa del Granchio in espansione, dove i due fluidi comprendono materiale espulso dall’esplosione iniziale della supernova del Granchio e un plasma di particelle cariche relativistiche alimentate dalla pulsar centrale del Granchio., Nel frattempo, gli spruzzi in avanti, causati quando il proiettile esce da un corpo dopo più incontri dirompenti con sangue e tessuti, sono stati trattati in modo diverso. La sua analisi ha utilizzato la teoria della percolazione, che descrive i percorsi disponibili attraverso cluster disposti casualmente.

Per entrambi i tipi di spruzzi, i ricercatori hanno calcolato i numeri, le dimensioni e le proprietà dinamiche delle gocce di sangue generate da un proiettile; quindi determinato le loro traiettorie sotto gravità e resistenza aerodinamica., Infine, il team ha trovato il numero di macchie risultanti, le loro aree, gli angoli di impatto e la distribuzione rispetto alla distanza (figura 2).

Questi risultati calcolati per le distribuzioni di schizzi di sangue concordano ragionevolmente bene con i dati ottenuti sparando proiettili in spugne o schiuma di plastica imbevuta di sangue di maiale per gli schizzi posteriori e attraverso un serbatoio pieno di sangue per gli schizzi anteriori. Sebbene i ricercatori notino che sono necessari più esperimenti, i loro risultati sono passi significativi verso una vera teoria degli schizzi basata sulla fisica., Il loro lavoro indica anche nuove direzioni per lo studio, come il modo in cui l’aria viene trasportata insieme a gocce di sangue in volo, che influenza le loro traiettorie e l’impatto della temperatura sulla viscosità del sangue.

I risultati teorici finora mostrano il valore dell’approccio fluidodinamico ma anche che la sua complessità può aggiungere incertezze all’analisi, ad esempio attraverso le proprietà variabili del sangue e delle macchie di sangue., Oltre alla temperatura, la viscosità del sangue dipende anche dalla percentuale di globuli rossi, che varia da individuo a individuo e potrebbe influenzare approcci come quello utilizzato da Laan e colleghi. Inoltre, le proprietà della superficie che una goccia di sangue colpisce possono modificare il modo in cui si diffonde e quindi influenzare la macchia che lascia. Elementi confondenti come questi dovrebbero essere presi in considerazione per il BPA pienamente valido che porta peso in tribunale e possono limitare le affermazioni su ciò che il BPA può mostrare definitivamente. Certamente, c’è molto da fare.,

Dal laboratorio alla scena del crimine

Mentre la scienza del BPA progredisce, una sfida parallela è quella di convertire i suoi risultati in nuove procedure pratiche e trasparenti per le indagini sugli omicidi e le presentazioni in aula. Ma i professionisti del BPA non hanno accolto del tutto questi cambiamenti, che minacciano di sconvolgere le procedure sul campo stabilite, una reazione che si trova anche altrove nello stabilimento forense., Tuttavia, afferma Carriquiry, per molti argomenti di scienza forense ” siamo riusciti a fare importanti incursioni e stabilito alcune partnership significative con i professionisti forensi che vedono il nostro lavoro come un mezzo per rendere il loro più obiettivo e ‘scientifico’ ”. Questi partner includono il Centro scientifico forense di Houston e il Dipartimento di polizia di Los Angeles.

Ora, con il supporto del CSAFE e di altre agenzie federali statunitensi, i ricercatori stanno lavorando specificamente per rafforzare le connessioni tra le comunità BPA e fluidodinamica e per fornire ai professionisti risultati utili., Ad esempio, Attinger e coautori hanno scritto un articolo tutorial in cui discutono le forze in gioco nella fluidodinamica e come determinano il comportamento delle gocce di sangue su una scena del crimine (Forensic Science International 231 375). Attinger ha anche pubblicato grafici basati sulla fluidodinamica che rendono semplice per gli investigatori sul campo stimare la distanza massima percorsa da una goccia di sangue (Forensic Science International 298 97).,

3 Sangue e proiettili in un laboratorio

Un esempio di spruzzi di sangue su un bersaglio carta, prodotto da ricercatori della Iowa State University utilizzando il set-up mostrato in figura 4. Il foro del proiettile può essere visto in alto a sinistra dell’immagine centrale.,

In un altro sforzo, il team di Attinger ha pubblicato modelli di spruzzi di sangue umano prodotto in laboratorio da arma da fuoco (figura 3), con un rigoroso controllo delle armi da fuoco e delle munizioni utilizzate e della disposizione fisica (Dati in breve 22 269); e una seconda serie di modelli di sangue prodotti da strumenti contundenti (Dati in breve 18 648). Questi forniscono immagini ad alta risoluzione di macchie di sangue generate in varie condizioni, per uso formativo e di ricerca (figura 4)., In un progetto, Hal Stern presso l’Università della California–Irvine, uno statistico e co-direttore di CSAFE, sta esaminando le immagini per le caratteristiche distintive che i professionisti potrebbero utilizzare per distinguere tra le possibili fonti per gli spruzzi osservati. In altre attività di sensibilizzazione, i ricercatori BPA presentano anche colloqui e sessioni di formazione presso società professionali.

4 Una scena messa in scena

Il set-up sperimentale utilizzato da Daniel Attinger e colleghi in Iowa per studiare macchie di sangue back-spruzzi.

Sfortunatamente, l’adozione diffusa di pratiche e formazione BPA più rigorose non arriverà rapidamente, o cancellerà automaticamente le carenze passate che hanno prodotto prove inaffidabili e false accuse. Né è probabile che gli standard legali per l’accettazione delle prove BPA cambieranno abbastanza presto da influenzare l’imminente appello di Joe Bryan per un nuovo processo., Tale richiesta è stata negata in 2018, ma i suoi avvocati stanno ora preparando un ultimo sforzo davanti alla Corte d’appello penale del Texas. Tuttavia, Bryan è quasi 80. Anche se viene approvata una nuova prova, potrebbe non arrivare in tempo per fargli del bene.

Qualunque sia il risultato, l’ampia copertura del caso Bryan insieme al rapporto NAS e ad altre valutazioni del BPA hanno scoperto i suoi problemi e motivato i progressi verso una migliore fisica dei modelli di sangue., Ciò potrebbe almeno garantire che le future prove del sangue saranno più efficaci nell’identificare i veri colpevoli senza condannare ingiustamente le persone innocenti.