Biofysica

uit het oktober 2019 nummer van Physics World. Leden van het Instituut voor Natuurkunde kunnen genieten van de volledige uitgave via de Physics World app.

het analyseren van de bloedvlekken na een schietpartij kan de sleutel zijn tot het vinden van de dader, maar het is een veld van forensisch onderzoek dat ter discussie wordt gesteld., Sidney Perkowitz legt uit hoe het begrijpen van de fysica achter de bloeddistributie kan helpen om de waarheid te ontdekken Joe Bryan, ooit een populaire en gerespecteerde Schooldirecteur in een klein Texaans stadje, zit al meer dan 30 jaar in de gevangenis. Hij zit een straf van 99 jaar uit voor de schietpartij en moord op zijn vrouw in 1985. Het bewijs dat hem belastte, betrof vlekken van het bloed van het slachtoffer, gevonden op een zaklamp., Een getuige, die werd beoordeeld als expert in de forensische techniek van blood pattern analysis (BPA), interpreteerde deze plekken als het plaatsen van Bryan in de buurt van zijn vrouw toen ze werd neergeschoten – een getuigenis die in de voorhoede van Bryan ‘ s overtuiging was. Het overtrof tegenbewijs dat hij in feite op een conferentie was op 120 mijl afstand – een alibi dat het bijna onmogelijk maakte voor hem om zijn vrouw te hebben neergeschoten, omdat hij het evenement zou hebben moeten verlaten, naar huis reizen, moord plegen en terugkeren naar de conferentie binnen een bepaald tijdsbestek. Bryan handhaaft zijn onschuld tot op de dag van vandaag.,dit soort bewijs, gebaseerd op het fysieke gedrag van het bloed dat is gegenereerd op een plaats delict, heeft zijn wortels in het Europa van het einde van de 19e eeuw. Het werd prominent in de VS tijdens het beroemde Sam Sheppard moordproces in 1955, en heeft sindsdien een belangrijke rol gespeeld in andere moordprocessen – waaronder die van voetballer en acteur O J Simpson (1994-1995, verdict of not guilty) en muziekproducent Phil Spector (2007-2009, retrial verdict of guilty).,politieonderzoekers gebruiken BPA om terug te werken op basis van bloedsporen op een plaats delict, zodat ze de locaties en acties van de betrokken mensen en wapens kunnen reconstrueren. De sporen zijn druppeltjes, uitstrijkjes en spatten, die ontstaan wanneer druppels bloed uitstralen van de impact van een kogel of stomp voorwerp totdat ze een oppervlak tegenkomen en het bevlekken. Maar volgens een verrassend 2009 rapport van de Amerikaanse National Academy of Sciences (NAS) dat nog steeds resoneert vandaag, BPA ontbreekt wetenschappelijke nauwkeurigheid en geldige accreditatie voor de beoefenaars., Dit is een ernstige zorg omdat BPA resultaten hebben veroordeeld mensen later bleek onschuldig te zijn, zoals velen geloven Bryan te zijn; en omdat gebrek aan vertrouwen in BPA analyse kan toestaan dat de schuldigen om vrij te gaan. Als gevolg daarvan is het essentieel geworden om de fysica achter BPA opnieuw te beoordelen. hoewel de VS de wereldleider is in wapenbezit-er zijn 120 wapens per 100 mensen, en 64% van de moorden in de VS zijn wapengerelateerd-hebben andere landen ook veel schietpartijen., Bij 30% van de moorden in Canada gaat het bijvoorbeeld om wapens, terwijl een dozijn landen, waaronder Brazilië, de VS overtreffen in hun aantal schietdoden per 100.000 mensen. Het vaststellen van de wetenschappelijke geldigheid van BPA kan daarom een internationale impact hebben op het omgaan met ‘ s werelds 250.000 jaarlijkse wapengerelateerde sterfgevallen door hen te helpen categoriseren als moorden of zelfmoorden-en, in het eerste geval, mogelijk de daders voor het gerecht te brengen.,

bloederig gedrag

in termen van fysica is bpa-reconstructie een gecompliceerd probleem in de vloeistofmechanica, waarbij het gedrag van bloed onder verschillende krachten en omgevingsomstandigheden wordt getraceerd. De uitdaging wordt bemoeilijkt omdat bloed een complexe vloeistof is die zowel vloeibare (het plasma) als vaste (de bloedcellen) componenten bevat. Bovendien variëren de eigenschappen van bloed – zoals de pH of het aantal rode bloedcellen – van persoon tot persoon.

maar dit werk is meer dan alleen een academische oefening., Het kan ook echte effecten hebben, volgens Alicia Carriquiry van de Iowa State University in de VS. Als statisticus en directeur van het Center for Statistics and Applications in Forensic Evidence (CSAFE) – dat wordt gefinancierd door het US National Institute of Standards and Technology (NIST) – heeft Carriquiry een brede kijk op forensische wetenschap. “BPA is een van die gebieden waar de wetenschap veel te zeggen heeft,” zegt ze., “In tegenstelling tot andere forensische disciplines, in BPA hebben we eigenlijk fysieke en vloeistof-dynamische modellen die kunnen helpen bij het beantwoorden van vragen zoals die met betrekking tot traject, punt van herkomst en soortgelijke.”

fundamentele wetenschap is echter niet goed toegepast op BPA, volgens het nas-rapport van 2009, dat getiteld Strengthening Forensic Science in the United States was. Mede voorgezeten door een vooraanstaande Amerikaanse federale rechter en een academische statisticus, het omvatte medewerkers van relevante wetenschappelijke disciplines, waaronder natuurkunde., In het algemeen, behalve voor DNA – analyse, vond het rapport tekortkomingen in vrijwel elke forensische techniek-met inbegrip van de analyse van haar, vezels, vingerafdrukken en bijtsporen. “De interpretatie van forensisch bewijs is niet altijd gebaseerd op wetenschappelijke studies om de geldigheid ervan te bepalen,” verklaarde het. “Dit is een ernstig probleem.”Een apart rapport in 2016 van de Amerikaanse president’ s Council of Advisors on Science and Technology – geschreven door de directeur van het Office of Science and Technology Policy samen met een panel van wetenschappers – weerklonk deze kritiek.,

voor BPA in het bijzonder werd in het nas-rapport gewezen op de complexiteit van de vloeistofdynamica en werd aangegeven dat BPA-analisten de betrokken fysica zouden moeten begrijpen. Maar zonder strenge educatieve eisen voor certificering als een BPA-expert-ze zijn alleen opgeleid om verpakte procedures te volgen-het rapport concludeerde dat ” de meningen van bloodstain patroon analisten zijn meer subjectief dan wetenschappelijk…de onzekerheden geassocieerd met zijn enorm.,”In 2018 kwam de Texas Forensic Science Commission tot vergelijkbare conclusies over de Bryan-zaak en noemde de interpretatie van het BPA-bewijs “onnauwkeurig” en “wetenschappelijk niet te ondersteunen”.

toch, correct gebruikt, kan BPA waardevolle aanwijzingen geven om de omstandigheden van een opname te begrijpen. Bijvoorbeeld, druppels bloed die de vloer raken onder een hoek zal een set van elliptische vlekken te creëren, waarvan de breedte-tot-lengte verhouding geeft de impact hoek (figuur 1). BPA-analisten worden getraind om rechte banen te tekenen die de lange dimensie van elke ellips volgen bij die inslaghoek., Deze paden komen samen, en geven een positie waaruit het bloed afkomstig is. Terwijl dit correct de projectie op de vloer van de locatie van een schotwond geeft, overschat de rechte lijn procedure de hoogte van de wond, omdat de ware paden onder zwaartekracht parabolen zijn gewijzigd door aërodynamische weerstand. De fout is meestal groot genoeg om een slachtoffer ten onrechte te plaatsen als staande in plaats van te zitten.,

Dit is een van de gevestigde BPA-methoden die een diepere fysische analyse kan verbeteren. In 2011 zetten natuurkundigen Christopher Varney en Fred Gittes van de Washington State University de projectiel-bewegingsvergelijkingen, inclusief Zwaartekracht en slepen, in een vorm die alle gegevens gebruikt die inherent zijn aan een set bloedvlekken (Am. J. Phys. 79 838)., Zij stelden vast dat een plot van de slaghoeken voor de vlekken versus de inverse van hun horizontale afstanden ten opzichte van de verticale as van de botsing een geldig resultaat geeft voor de hoogte, op voorwaarde dat de lanceerhoeken voor de druppels niet te wijd verspreid zijn. In een test die een viskeuze bloedvervanger spatte, gebruikten de onderzoekers deze benadering om de werkelijke lanceerhoogte van 88 cm tot binnen 8% te berekenen. Ter vergelijking, de lineaire trajecten overschatten de lanceerhoogte met 100%.,in 2015 gebruikten Nick Laan, van de Universiteit van Amsterdam en het Nederlands Forensisch Instituut, en collega ‘ s in plaats daarvan de vloeistofkwaliteiten van bloed om de hoogte van een schotwond te vinden (Wetenschappelijke Rapporten 5 11461). Eerder onderzoek had een vergelijking afgeleid die de inslagsnelheid van een vloeibare druppel bloed relateerde aan het volume en de inslaghoek ervan, en aan de breedte van de gedroogde vlek die het veroorzaakte zoals bepaald door het bekende capillaire en viskeuze gedrag van bloed. Om deze methode toe te passen, creëerden de onderzoekers spatpatronen van menselijk bloed onder gecontroleerde omstandigheden., Voor elk van de 40 afzonderlijke bloedvlekken bepaalden ze de breedte en impacthoek, en met behulp van een commerciële 3d-oppervlaktescanner, meetten ze het volume van de vlek, waaruit ze het volume van de oorspronkelijke druppel vonden. Deze parameters leverden de inslagsnelheid op, wat genoeg informatie gaf om de vergelijkingen van beweging onder zwaartekracht met aerodynamische weerstand op te lossen. De resultaten voor de hoogte waar elke druppel vandaan kwam hadden een gemiddelde waarde van 58,5 cm, slechts 8% onder de werkelijke hoogte van 63,7 cm. Ondertussen gaf de rechte lijn methode 91,1 cm – een veel grotere 42% fout.,

A bullet ‘ s journey

deze twee papers en anderen analyseren het gedrag van bloeddruppels nadat ze zijn gevormd, om standaard BPA te verbeteren. Maar werktuigbouwkundigen en vloeistofdynamici Alexander Yarin en Patrick Comiskey van de Universiteit van Illinois in Chicago, samen met Daniel Attinger van Iowa State, zijn verder gegaan. Ze hebben het hele proces gemodelleerd, van de kogel in het lichaam tot het uiteindelijke bloedvlekpatroon.,

sinds 2016 hebben deze onderzoekers vloeistofdynamische theorieën ontwikkeld voor geweerspatten in de rug en voorspatten, waarbij bloeddruppels zich respectievelijk tegen en met de richting van de kogel bewegen en verschillende kenmerken vertonen. De back-spatter analyse-uitgevoerd voor zowel reguliere (Phys. Rev. vloeistoffen 1 043201) en stompe neus (Phys. Rev. vloeistoffen 2 073906) kogels-is gebaseerd op de bekende Rayleigh–Taylor instabiliteit., In dit effect zorgt versnelling loodrecht op het raakvlak tussen twee vloeistoffen van verschillende dichtheden – hier bloed en lucht – voor groeiende turbulentie en vermenging tussen de vloeistoffen. (Een opmerkelijk voorbeeld van de instabiliteit is de spectaculaire filamenten gezien in de zich uitbreidende Krabnevel, waar de twee vloeistoffen bestaan uit materiaal uitgestoten door de krab eerste supernova explosie, en een plasma van relativistische geladen deeltjes aangedreven door de centrale pulsar van de krab.,) Ondertussen, voorwaartse spatten, veroorzaakt wanneer de kogel uit een lichaam na meerdere verstorende ontmoetingen met bloed en weefsel, werd anders behandeld. Zijn analyse gebruikte percolatietheorie, die beschikbare paden door willekeurig gerangschikt clusters beschrijft.

voor beide soorten spatten berekenden de onderzoekers de aantallen, afmetingen en dynamische eigenschappen van de bloeddruppels die door een kogel worden gegenereerd; vervolgens bepaalden ze hun trajecten onder zwaartekracht en aerodynamische weerstand., Ten slotte vond het team het aantal resulterende vlekken, hun gebieden, slaghoeken en verdeling ten opzichte van de afstand (figuur 2).

deze berekende resultaten voor de distributie van bloedspatten komen redelijk goed overeen met de gegevens die zijn verkregen door kogels in sponzen of met varkensbloed doordrenkt plastic schuim te schieten voor rugspatten, en door een met bloed gevuld reservoir voor voorwaartse spatten. Hoewel de onderzoekers merken op dat er meer experimenten nodig zijn, zijn hun resultaten belangrijke stappen in de richting van een echte, fysica-gebaseerde theorie van spatten., Hun werk wijst ook op nieuwe richtingen voor onderzoek, zoals hoe lucht wordt vervoerd samen met druppels bloed in de vlucht, die hun trajecten beïnvloeden, en de impact van temperatuur op de bloedviscositeit.

de theoretische resultaten tot nu toe tonen de waarde van de vloeistofdynamica benadering, maar ook dat de complexiteit ervan onzekerheden aan de analyse kan toevoegen, bijvoorbeeld door de variabele eigenschappen van bloed en bloedvlekken., Naast de temperatuur hangt de viscositeit van het bloed ook af van het percentage rode bloedcellen, dat per individu varieert en benaderingen zoals die van Laan en collega ‘ s kan beïnvloeden. Wat meer is, de eigenschappen van het oppervlak dat een bloeddruppel slaat kan veranderen hoe het zich verspreidt en dus invloed hebben op de vlek die het verlaat. Verwarrende elementen zoals deze MOETEN in aanmerking worden genomen voor volledig geldige BPA die gewicht draagt in de rechtbank, en kunnen claims over wat BPA definitief kan laten zien beperken. Er is natuurlijk nog veel te doen.,

van laboratorium tot plaats delict

naarmate de wetenschap van BPA vordert, is een parallelle uitdaging om de resultaten ervan om te zetten in nieuwe, praktische en transparante procedures voor moordonderzoeken en rechtbankpresentaties. Maar BPA beoefenaars hebben niet volledig verwelkomd deze veranderingen, die dreigen te verstoren gevestigde veldprocedures, een reactie die ook elders in de forensische establishment., Niettemin, zegt Carriquiry, voor veel onderwerpen in de forensische wetenschap “zijn we erin geslaagd om belangrijke opmars te maken en een aantal zinvolle partnerschappen met forensische beoefenaars die ons werk zien als een middel om hun werk objectiever en ‘wetenschappelijk’ te maken “. Tot deze partners behoren het Houston Forensic Science Center en het Los Angeles Police Department.

nu, met steun van CSAFE en andere Amerikaanse federale agentschappen, werken onderzoekers specifiek aan het versterken van verbindingen tussen de BPA-en fluid dynamics-gemeenschappen, en om praktijkmensen nuttige resultaten te bieden., Zo hebben Attinger en coauteurs een tutorial paper geschreven waarin ze de spelende krachten in de vloeistofdynamica bespreken en hoe ze het gedrag van bloeddruppels op een plaats delict bepalen (Forensic Science International 231 375). Attinger heeft ook grafieken gepubliceerd op basis van vloeistofdynamica die het voor onderzoekers in het veld eenvoudig maken om de maximale afstand te schatten die een bloeddruppel heeft afgelegd (Forensic Science International 298 97).,