Biofizyka

Joe Bryan, niegdyś popularny i szanowany dyrektor szkoły średniej w małym teksańskim miasteczku, od ponad 30 lat siedzi w więzieniu. Odsiaduje 99-letni wyrok za zastrzelenie i zamordowanie żony w 1985 roku. Dowody obciążające go obejmowały ślady krwi ofiary znalezione na ręcznej pochodni., Świadek, który został oceniony jako ekspert w technice kryminalistycznej analizy wzoru krwi (BPA), zinterpretował te miejsca jako umieszczenie Bryana w pobliżu jego żony, gdy została zastrzelona – zeznanie, które było na czele skazania Bryana. Podważyło to dowody potwierdzające, że w rzeczywistości był na konferencji oddalonej o 120 mil-alibi, które prawie uniemożliwiało mu zastrzelenie żony, ponieważ musiałby opuścić wydarzenie, wrócić do domu, popełnić morderstwo i wrócić na konferencję w określonym czasie. Bryan utrzymuje swoją niewinność do dziś.,

takie dowody, oparte na fizycznym zachowaniu krwi Wygenerowanej na miejscu zbrodni, mają korzenie w późnej XIX-wiecznej Europie. Stał się znany w Stanach Zjednoczonych podczas słynnego procesu o morderstwo sama Shepparda w 1955 roku i odegrał ważną rolę w innych procesach o morderstwo – w tym futbolisty i aktora O J Simpsona (1994-1995, wyrok uniewinniający) i producenta muzycznego Phila Spectora (2007-2009, wyrok uniewinniający).,

śledczy policji używają BPA do pracy wstecz od śladów krwi na miejscu zbrodni, pozwalając im odtworzyć miejsca i działania zaangażowanych ludzi i broni. Ślady obejmują krople, rozmazy i odpryski, które powstają, gdy krople krwi promieniują od uderzenia pocisku lub tępego narzędzia, aż napotykają powierzchnię i plamią ją. Ale według zaskakującego raportu 2009 z amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk (NAS), który nadal rezonuje dzisiaj, BPA nie ma rygoru naukowego i ważnej akredytacji dla swoich praktyków., Jest to poważny problem, ponieważ wyniki BPA skazali ludzi później okazało się być niewinny, jak wielu uważa Bryan być; i dlatego, że brak zaufania do analizy BPA może pozwolić winny iść wolny. W rezultacie, stało się niezbędne do ponownej oceny fizyki za BPA.

chociaż USA przewodzą światu pod względem posiadania broni-na 100 osób przypada 120 sztuk broni, a 64% amerykańskich zabójstw jest związanych z bronią-inne kraje również mają wiele strzelanin., Na przykład, 30% zabójstw w Kanadzie dotyczy broni, podczas gdy tuzin Narodów, w tym Brazylia, przewyższa USA pod względem liczby zgonów z broni na 100 000 osób. Ustanowienie naukowej ważności BPA może zatem mieć Międzynarodowy wpływ na radzenie sobie z 250 000 zgonów związanych z bronią na świecie, pomagając sklasyfikować je jako zabójstwa lub samobójstwa-i, w pierwszym przypadku, potencjalnie doprowadzając sprawców do sprawiedliwości.,

krwawe zachowanie

w fizyce rekonstrukcja BPA jest skomplikowanym problemem w mechanice płynów, który polega na śledzeniu zachowania krwi, w różnych siłach i warunkach otoczenia. Wyzwanie jest trudniejsze, ponieważ krew jest złożonym płynem zawierającym zarówno składniki płynne (osocze), jak i stałe (komórki krwi). Ponadto właściwości krwi – takie jak jej pH lub liczba krwinek czerwonych-różnią się w zależności od osoby.

ale ta praca to coś więcej niż tylko ćwiczenie akademickie., Według Alicii Carriquiry z Iowa State University w USA może mieć również realne skutki. Jako statystyk i dyrektor Center for Statistics and Applications in Forensic Evidence (CSAFE) – finansowanego przez amerykański Narodowy Instytut Standardów i technologii (NIST) – Carriquiry ma szerokie spojrzenie na kryminalistykę. „BPA jest jednym z tych obszarów, w których nauka ma wiele do powiedzenia”, mówi., „W przeciwieństwie do innych dyscyplin kryminalistycznych, w BPA rzeczywiście mamy fizyczne i dynamiczne modele płynów, które mogą pomóc odpowiedzieć na pytania, takie jak te mające do czynienia z trajektorią, punktem pochodzenia i podobne.”

Fundamentalna nauka nie została jednak dobrze zastosowana do BPA, zgodnie z raportem NAS z 2009 roku, który nosił tytuł wzmocnienie kryminalistyki w Stanach Zjednoczonych. Współprzewodniczył wybitnemu amerykańskiemu sędziemu federalnemu i statystykowi akademickiemu, w jego skład wchodzili współpracownicy z odpowiednich dyscyplin naukowych, w tym z fizyki., Ogólnie rzecz biorąc, z wyjątkiem analizy DNA, raport wykazał braki w praktycznie każdej technice kryminalistycznej – w tym w analizie włosów, włókien, odcisków palców i śladów ugryzień. „Interpretacja dowodów sądowych nie zawsze opiera się na badaniach naukowych w celu ustalenia ich ważności” – stwierdził. „To poważny problem.”Oddzielny raport z 2016 r. sporządzony przez Radę Doradców ds. nauki i technologii prezydenta USA-napisany przez dyrektora Biura Polityki Nauki i technologii wraz z zespołem naukowców – odbił się echem tej krytyki.,

w przypadku BPA w szczególności raport NAS zauważył złożoność dynamiki płynów i wskazał, że analitycy BPA powinni zrozumieć fizykę. Ale bez ścisłych wymagań edukacyjnych dla certyfikacji jako ekspert BPA – są przeszkoleni tylko do przestrzegania procedur pakowanych – raport stwierdził, że „opinie analityków wzorca plam krwi są bardziej subiektywne niż naukowe … niepewności związane z są ogromne.,”W 2018 Texas Forensic Science Commission doszła do podobnych wniosków w sprawie Bryana, nazywając interpretację dowodów BPA „niedokładną” i „naukowo nieprzydatną”.

nadal, właściwie używane, BPA może dać cenne wskazówki w kierunku zrozumienia okoliczności strzelaniny. Na przykład krople krwi uderzające w podłogę pod kątem utworzą zestaw eliptycznych plam, których stosunek szerokości do długości daje kąt uderzenia (rysunek 1). Analitycy BPA są szkoleni do rysowania prostych trajektorii, które podążają za długim wymiarem każdej elipsy pod tym kątem uderzenia., Ścieżki te zbiegają się, zapewniając pozycję, z której pochodzi krew. Podczas gdy to poprawnie daje rzut na podłogę położenia rany postrzałowej, procedura prostoliniowa zawyża wysokość rany, ponieważ prawdziwe ścieżki pod wpływem grawitacji to parabole zmodyfikowane przez opór aerodynamiczny. Błąd jest zazwyczaj wystarczająco duży, aby błędnie umieścić ofiarę jako stojącą, a nie siedzącą.,

jest to jedna z ustalonych metod BPA, które głębsza analiza fizyczna może poprawić. W 2011 fizycy Christopher Varney i Fred Gittes Z Washington State University umieścili równania ruchu pocisku, w tym grawitacji i przeciągu, w formie, która wykorzystuje wszystkie dane nieodłączne zestawowi plam krwi rozprysków (Am. J. Phys. 79 838)., Okazało się, że wykres kątów uderzenia dla plam w porównaniu z odwrotnością ich poziomych odległości od pionowej osi uderzenia daje prawidłowy wynik dla wysokości, pod warunkiem, że kąty startu dla kropli nie są zbyt szeroko rozłożone. W teście, który rozpylił lepki substytut krwi, naukowcy wykorzystali to podejście do obliczenia rzeczywistej wysokości startu 88 cm do 8%. Dla porównania, trajektorie liniowe zawyżyły wysokość startu o 100%.,

w 2015 roku Nick Laan z Uniwersytetu w Amsterdamie i Holenderskiego Instytutu kryminalistyki i współpracownicy zamiast tego użyli płynnych właściwości krwi, aby znaleźć wysokość rany postrzałowej (doniesienia naukowe 5 11461). Wcześniejsze prace wyprowadziły równanie odnoszące się do prędkości uderzenia płynnej kropli krwi do jej objętości i kąta uderzenia oraz do szerokości wysuszonej plamy, którą wytworzyła, określonej przez znane kapilarne i lepkie zachowanie krwi. Aby zastosować tę metodę, naukowcy stworzyli wzory rozprysków ludzkiej krwi w kontrolowanych warunkach., Dla każdej z 40 osobnych plam krwi wyznaczono jej szerokość i kąt uderzenia, a za pomocą komercyjnego skanera powierzchni 3D zmierzyli objętość plamy, z której znaleźli objętość oryginalnej kropli. Parametry te dały prędkość uderzenia, dając wystarczającą ilość informacji, aby rozwiązać równania ruchu pod grawitacją z aerodynamicznym oporem. Wyniki dla wysokości, z której pochodzi każda kropla, miały średnią wartość 58,5 cm, tylko 8% poniżej rzeczywistej wysokości 63,7 cm. Tymczasem metoda prosta dała 91,1 cm-znacznie większy błąd 42%.,

a bullet ' s journey

te dwa dokumenty i inne analizują zachowanie kropli krwi po ich utworzeniu, w celu zwiększenia standardowego BPA. Ale inżynierowie mechanicy i dynamicy płynów Alexander Yarin i Patrick Comiskey z University of Illinois w Chicago, wraz z Danielem Attingerem z Iowa State, poszli dalej. Modelowali cały proces od kuli wchodzącej w ciało do ostatecznego wzoru plam krwi.,

od 2016 r.badacze ci opracowali dynamiczne teorie dotyczące rozprysku wystrzału z tyłu i rozprysku z przodu, w których krople krwi poruszają się odpowiednio w kierunku i w kierunku pocisku i wykazują różne cechy. Analiza rozprysków wstecznych-przeprowadzona zarówno dla regularnych (Fiz. Rev. 1 043201) i tępogłowy (Phys. Rev. 2 073906) – bazuje na znanej niestabilności Rayleigha-Taylora., W tym efekcie przyspieszenie prostopadłe do styku dwóch płynów o różnych gęstościach-tutaj, krwi i powietrza-tworzy narastające turbulencje i mieszanie się między płynami. (Jednym z niezwykłych przykładów niestabilności są spektakularne włókna widoczne w rozprężającej się Mgławicy Kraba, gdzie dwa płyny zawierają materiał wyrzucony przez początkową eksplozję supernowej kraba oraz plazmę relatywistycznie naładowanych cząstek zasilanych centralnym pulsarem kraba.,), Natomiast rozprysk przedni, spowodowany wydostaniem się pocisku z ciała po wielu uciążliwych starciach z krwią i tkanką, był traktowany inaczej. W jego analizie wykorzystano teorię perkolacji, która opisuje dostępne ścieżki przez losowo rozmieszczone klastry.

dla obu rodzajów rozprysków naukowcy obliczyli liczbę, rozmiary i właściwości dynamiczne kropli krwi generowanych przez pocisk, a następnie określili ich trajektorie pod wpływem grawitacji i oporu aerodynamicznego., Wreszcie, zespół znalazł liczbę powstałych plam, ich obszary, kąty uderzenia i rozkład w odniesieniu do odległości (rysunek 2).

te obliczone wyniki rozkładu rozprysku krwi zgadzają się w miarę dobrze z danymi uzyskanymi przez strzelanie pociskami do gąbek lub plastikowej pianki nasączonej krwią świni w celu odprysku pleców i przez zbiornik wypełniony krwią w celu odprysku do przodu. Chociaż naukowcy zauważają, że potrzeba więcej eksperymentów, ich wyniki są znaczącymi krokami w kierunku prawdziwej, opartej na fizyce teorii rozprysku., Ich praca wskazuje również nowe kierunki badań, takie jak sposób przenoszenia powietrza wraz z kroplami krwi w locie, co wpływa na ich trajektorie, oraz wpływ temperatury na lepkość krwi.

dotychczasowe wyniki teoretyczne pokazują wartość podejścia do dynamiki płynów, ale także to, że jego złożoność może dodawać niepewności do analizy, na przykład poprzez zmienne właściwości krwi i plam krwi., Oprócz temperatury, lepkość krwi zależy również od odsetka czerwonych krwinek, który różni się w zależności od osoby i może wpływać na podejścia takie jak stosowane przez Laan i współpracowników. Co więcej, właściwości powierzchni, którą uderza kropla krwi, mogą modyfikować sposób jej rozprzestrzeniania się, a tym samym wpływać na pozostającą plamę. Elementy mylące, takie jak te, powinny być brane pod uwagę dla w pełni ważnego BPA, który ma znaczenie w sądzie i może ograniczyć roszczenia dotyczące tego, co BPA może ostatecznie pokazać. Oczywiście, jest wiele do zrobienia.,

od laboratorium do miejsca zbrodni

w miarę postępu nauki BPA, równoległym wyzwaniem jest przekształcenie jego wyników w nowe, praktyczne i przejrzyste procedury dochodzenia w sprawie morderstwa i prezentacji sądowych. Ale praktycy BPA nie do końca z zadowoleniem te zmiany, które grożą zakłócić ustalonych procedur terenowych, reakcja również znaleźć gdzie indziej w Forensics establishment., Niemniej jednak, mówi Carriquiry, dla wielu tematów z zakresu kryminalistyki ” udało nam się dokonać ważnych postępów i nawiązać znaczące partnerstwa z praktykami medycyny sądowej, którzy postrzegają naszą pracę jako sposób na uczynienie ich bardziej obiektywnymi i „naukowymi””. Partnerzy ci to Houston Forensic Science Center i Wydział Policji w Los Angeles.

teraz, przy wsparciu CSAFE i innych amerykańskich agencji federalnych, naukowcy pracują specjalnie w celu wzmocnienia powiązań między BPA i społeczności dynamiki płynów, i zapewnić praktykom przydatne wyniki., Na przykład Attinger i współautorzy napisali artykuł instruktażowy, w którym omawiają siły występujące w dynamice płynów i sposób określania zachowania kropli krwi na miejscu zbrodni (Forensic Science International 231 375). Attinger opublikował również wykresy oparte na dynamice płynów, które ułatwiają badaczom w terenie oszacowanie maksymalnej odległości, jaką przebyła kropla krwi (Forensic Science International 298 97).,

3 Krew i kule w laboratorium

przykład rozprysku krwi na tarczy karty, opracowany przez naukowców z Iowa State University przy użyciu konfiguracji pokazanej na rysunku 4. Otwór po kuli można zobaczyć w lewym górnym rogu środkowego obrazu.,

w kolejnym staraniu, zespół Attingera opublikował wzory rozprysków ludzkiej krwi wytworzonej w laboratorium przez wystrzał (ryc. 3), z rygorystyczną kontrolą używanej broni palnej i amunicji oraz fizycznego układu (dane w skrócie 22 269); oraz drugi zestaw wzorów krwi wytworzonych przez tępe Instrumenty (dane w skrócie 18 648). Dostarczają one wysokiej rozdzielczości obrazy plam krwi generowanych w różnych warunkach, do celów szkoleniowych i badawczych (ryc. 4)., W jednym z projektów Hal Stern z University of California-Irvine, statystyk i współdyrektor CSAFE, bada obrazy pod kątem charakterystycznych cech, które praktycy mogliby wykorzystać do rozróżnienia wśród możliwych źródeł zaobserwowanych odprysków. W innych działaniach, badacze BPA również prezentują rozmowy i sesje szkoleniowe w społeczeństwach zawodowych.

4 Scena inscenizowana

eksperymentalna konfiguracja używana przez Daniela Attingera i współpracowników w Iowa do badania plam krwi rozprysków wstecznych.

niestety, powszechne przyjęcie bardziej rygorystycznych praktyk i szkoleń BPA nie nastąpi szybko, lub automatycznie usunie wcześniejsze braki, które przyniosły niewiarygodne dowody i fałszywe oskarżenia. Nie jest prawdopodobne, że standardy prawne dotyczące akceptacji dowodów BPA zmieni się na tyle szybko, aby wpłynąć na zbliżający się odwołanie Joe Bryana do nowego procesu., Wniosek ten został odrzucony w 2018 roku, ale jego prawnicy przygotowują teraz ostatnią próbę przed Texas Court of Criminal Appeals. Jednak Bryan jest prawie 80. Nawet jeśli nowy proces zostanie zatwierdzony, może nie przyjść na czas, aby zrobić mu coś dobrego.

niezależnie od tego wyniku, rozległe pokrycie przypadku Bryana wraz z Raport NAS i inne oceny BPA odkryły swoje problemy i motywowane postęp w kierunku lepszej fizyki wzorców krwi., Może to przynajmniej zapewnić, że przyszłe dowody krwi będą skuteczniejsze w identyfikowaniu prawdziwych sprawców bez niesprawiedliwego potępiania niewinnych ludzi.