Biophysics (Português)

Taken from the October 2019 issue of Physics World. Os membros do Instituto de física podem desfrutar da edição completa através do Aplicativo Mundo da física.

analisar as manchas de sangue após um tiroteio pode ser a chave para encontrar o autor, mas é um campo de ciência forense que está sendo questionado., Sidney Perkowitz explica como a compreensão da física por trás da distribuição de sangue poderia ajudar a descobrir a verdade Joe Bryan, uma vez um popular e respeitado diretor de ensino médio em uma pequena cidade do Texas, está na prisão há mais de 30 anos. Ele está cumprindo uma sentença de 99 anos pelo assassinato de sua esposa em 1985. As provas que o incriminaram envolveram manchas do sangue da vítima encontradas numa tocha de mão., Uma testemunha, que foi classificada como especialista na técnica forense de análise de padrões de sangue (BPA), interpretou essas manchas como colocando Bryan perto de sua esposa quando ela foi baleada – um testemunho que estava na vanguarda da condenação de Bryan. Ele derrubou compensatórias evidência de que ele foi, na verdade, em uma conferência de 120 quilômetros de distância – um álibi que torna quase impossível para ele ter atirou em sua esposa, como ele teria tido a abandonar o evento, viagens, casa, cometer assassinato e voltar para a conferência dentro de um período específico de tempo. Bryan mantém sua inocência até hoje.,provas como esta, baseadas no comportamento físico do sangue gerado numa cena de crime, têm raízes no final do século XIX na Europa. Tornou – se proeminente nos Estados Unidos durante o famoso julgamento de assassinato de Sam Sheppard em 1955, e tem desempenhado um papel importante em outros julgamentos de assassinato desde-incluindo os do jogador de futebol e ator O J Simpson (1994-1995, veredicto de inocente) e produtor musical Phil Spector (2007-2009, veredicto de culpado).,investigadores da polícia usam BPA para trabalhar para trás a partir de vestígios de sangue no local do crime, permitindo-lhes reconstruir os locais e ações das pessoas e armas envolvidas. Os traços incluem gotas, esfregaços e salpicos, que são criados quando gotas de sangue irradiam do impacto de uma bala ou instrumento contundente até que eles encontram uma superfície e mancha-lo. Mas de acordo com um surpreendente relatório de 2009 da Academia Nacional de Ciências dos EUA (NAS), que ainda ressoa hoje, o BPA carece de rigor científico e acreditação válida para os seus profissionais., Esta é uma séria preocupação porque os resultados do BPA condenaram pessoas mais tarde se mostraram inocentes, como muitos acreditam que Bryan seja; e porque a falta de confiança na análise do BPA pode permitir que os culpados sejam libertados. Como resultado, tornou-se essencial reavaliar a física por trás do BPA. embora os EUA liderem o mundo em posse de armas-existem 120 armas por 100 pessoas, e 64% dos homicídios dos EUA são relacionados com armas-outros países também têm muitos tiroteios., Por exemplo, 30% dos homicídios no Canadá envolvem armas, enquanto uma dúzia de nações, incluindo o Brasil, superam os EUA em sua taxa de mortes por 100 mil pessoas. Estabelecer a validade científica do BPA poderia, portanto, ter um impacto internacional no tratamento das 250 mil mortes anuais relacionadas com armas do mundo, ajudando a classificá-las como homicídios ou suicídios – e, no primeiro caso, potencialmente levando os autores à justiça.,

comportamento Sangrento

em termos de física, a reconstrução do BPA é um problema complicado na mecânica dos fluidos que envolve rastreamento do comportamento do sangue, sob várias forças e condições ambientais. O desafio torna-se mais difícil porque o sangue é um fluido complexo contendo ambos os componentes líquidos (o plasma) e sólidos (as células sanguíneas). Além disso, as propriedades do sangue – como o seu pH ou o número de glóbulos vermelhos – variam de pessoa para pessoa.mas este trabalho é mais do que um mero exercício Académico., Também pode ter efeitos reais, de acordo com Alicia Carriquiry na Universidade Estadual de Iowa nos EUA. Como estatístico e diretor do Center for Statistics and Applications in Forensic Evidence (CSAFE) – que é financiado pelo US National Institute of Standards and Technology (NIST) – Carriquiry tem uma visão ampla da ciência forense. “BPA é uma daquelas áreas em que a ciência tem muito a dizer”, diz ela., “Ao contrário de outras disciplinas forenses, no BPA temos modelos físicos e dinâmicos fluidos que podem ajudar a responder a questões como aquelas que têm a ver com trajetória, ponto de origem e similares.”

Fundamental science has, however, not been well applied to BPA, according to the 2009 NAS report, which was entitled Strengthening Forensic Science in the United States. Co-presidido por um ilustre juiz federal dos Estados Unidos e um estatístico Acadêmico, incluiu colaboradores de disciplinas científicas relevantes, incluindo física., Em geral, à excepção da análise do ADN, o relatório detectou deficiências em praticamente todas as técnicas forenses – incluindo a análise de cabelo, fibras, impressões digitais e marcas de mordida. “A interpretação da evidência forense nem sempre é baseada em estudos científicos para determinar a sua validade”, afirmou. “Este é um problema sério.”Um relatório separado em 2016 do Conselho de assessores de Ciência e tecnologia do presidente dos EUA – escrito pelo diretor do Escritório de Política de Ciência e tecnologia, juntamente com um painel de cientistas – ecoou esta crítica.,

para BPA em particular, o relatório NAS observou as complexidades da dinâmica dos fluidos e indicou que os analistas de BPA devem entender a física envolvida. Mas sem requisitos educacionais rigorosos para a certificação como especialista em BPA – eles são treinados apenas para seguir procedimentos empacotados – O relatório concluiu que “as opiniões dos analistas de padrões de mancha de sangue são mais subjetivas do que científicas…as incertezas associadas são enormes., Em 2018, A Comissão de Ciência Forense do Texas chegou a conclusões semelhantes sobre o caso Bryan, chamando a interpretação da evidência BPA de “imprecisa” e “cientificamente insustentável”.

ainda, devidamente usado, BPA pode dar pistas valiosas para a compreensão das circunstâncias de um tiroteio. Por exemplo, gotas de sangue que atingem o chão em um ângulo irá criar um conjunto de manchas elípticas, cuja relação largura-comprimento dá o ângulo de impacto (Figura 1). Analistas do BPA são treinados para traçar trajetórias de linha reta que seguem a longa dimensão de cada elipse nesse ângulo de impacto., Estes caminhos convergem, proporcionando uma posição a partir da qual o sangue se originou. Enquanto isso corretamente dá a projeção no chão da localização de um ferimento de bala, o procedimento de linha reta sobrestima a altura do ferimento, uma vez que os verdadeiros caminhos sob a gravidade são parábolas modificadas pelo arrasto aerodinâmico. O erro é geralmente grande o suficiente para erroneamente colocar uma vítima de pé em vez de se sentar.,

Este é um dos métodos BPA estabelecidos que uma análise física mais profunda pode melhorar. Em 2011, os físicos Christopher Varney e Fred Gittes da Universidade do Estado de Washington colocaram as equações de movimento projétil, incluindo gravidade e arrasto, em uma forma que usa todos os dados inerentes a um conjunto de manchas de sangue de salpicos (Am. J. Phys. 79 838)., Eles descobriram que uma parcela do impacto ângulos para as manchas versus o inverso de suas distâncias horizontais do eixo vertical de impacto dá um resultado válido para a altura, desde que os ângulos de lançamento para as gotas não são muito amplamente distribuídas. Em um teste que salpicou um substituto de sangue viscoso, os pesquisadores usaram esta abordagem para calcular a altura de lançamento real de 88 cm para dentro de 8%. Para comparação, as trajetórias lineares sobrestimaram a altura de lançamento em 100%.,em 2015, Nick Laan, da Universidade de Amsterdã e do Instituto forense dos Países Baixos, e os colegas usaram as qualidades fluidas do sangue para encontrar a altura de um ferimento de bala (Relatórios Científicos 5 11461). Trabalhos anteriores tinham derivado uma equação que relacionava a velocidade de impacto de uma gota líquida de sangue ao seu volume e ângulo de impacto, e à largura da mancha seca que produziu como determinado pelo comportamento capilar e viscoso conhecido do sangue. Para aplicar este método, os pesquisadores criaram padrões de salpicos de sangue humano sob condições controladas., Para cada uma das 40 manchas de sangue separadas, eles determinaram sua largura e ângulo de impacto, e, usando um scanner de superfície comercial 3D, mediram o volume da mancha, a partir da qual eles encontraram o volume da gota original. Estes parâmetros renderam a velocidade de impacto, dando informações suficientes para resolver as equações de movimento sob gravidade com arrasto aerodinâmico. Os resultados para a altura onde cada queda teve origem tiveram um valor médio de 58,5 cm, apenas 8% abaixo da altura real de 63,7 cm. Enquanto isso, o método straight-line deu 91,1 cm – um erro muito maior de 42%.,

a bullet’s journey

estes dois artigos e outros analisam o comportamento das gotas de sangue após a sua formação, para melhorar o BPA padrão. Mas engenheiros mecânicos e dinamicistas de fluidos Alexander Yarin e Patrick Comiskey da Universidade de Illinois em Chicago, juntamente com Daniel Attinger no Estado de Iowa, foram mais longe. Modelaram todo o processo desde a bala que entrou no corpo até ao padrão final da mancha de sangue.,

desde 2016 estes pesquisadores têm desenvolvido teorias dinâmicas de fluidos para salpicos de costas de tiro e salpicos para a frente, onde gotas de sangue viajam respectivamente contra e com a direção da bala e exibem características diferentes. The back-spatter analysis-carried for both regular (Phys. Rev. Fluids 1 043201) and blunt-nosed (Phys. Rev. Fluids 2 073906) balas-é baseado na conhecida instabilidade de Rayleigh–Taylor., Neste efeito, a aceleração perpendicular à interface entre dois fluidos de densidades diferentes – aqui, sangue e ar-cria turbulência crescente e mistura entre os fluidos. (Um exemplo notável da instabilidade é os filamentos espetaculares vistos na Nebulosa do Caranguejo em expansão, onde os dois fluidos compreendem material ejetado pela explosão inicial da supernova do Caranguejo, e um plasma de partículas carregadas relativísticas alimentadas pelo pulsar central do Caranguejo., Enquanto isso, salpicos frontais, causados quando a bala sai de um corpo após múltiplos encontros disruptivos com sangue e tecido, foram tratados de forma diferente. Sua análise usou a teoria de percolação, que descreve caminhos disponíveis através de aglomerados dispostos aleatoriamente.

para ambos os tipos de salpicos, os pesquisadores calcularam os números, tamanhos e propriedades dinâmicas das gotas de sangue geradas por uma bala; em seguida, determinaram suas trajetórias sob gravidade e arrasto aerodinâmico., Finalmente, a equipe encontrou o número de manchas resultantes, suas áreas, ângulos de impacto e distribuição em relação à distância (Figura 2).

estes resultados calculados para as distribuições de salpicos de sangue concordam razoavelmente bem com os dados obtidos disparando balas em esponjas ou espuma de plástico embebida em sangue de suíno para salpicos de costas, e através de um reservatório cheio de sangue para salpicos frontais. Embora os pesquisadores notem que mais experimentos são necessários, seus resultados são passos significativos em direção a uma teoria real de dispersão baseada na física., Seu trabalho também aponta para novas direções de estudo, como como o ar é transportado junto com gotas de sangue em voo, o que influencia suas trajetórias, e o impacto da temperatura na viscosidade do sangue.

os resultados teóricos até agora mostram o valor da abordagem dinâmica dos fluidos, mas também que a sua complexidade pode adicionar incertezas à análise, por exemplo através das propriedades variáveis do sangue e manchas de sangue., Além da temperatura, a viscosidade do sangue também depende da porcentagem de glóbulos vermelhos, que varia por indivíduo e pode afetar abordagens como a utilizada por Laan e colegas. Além disso, as propriedades da superfície que uma gota de sangue atinge podem modificar a forma como se espalha e, portanto, afectar a mancha que deixa. Elementos de confusão como estes devem ser levados em conta para BPA plenamente válido que tem peso em tribunal, e pode limitar reivindicações sobre o que BPA pode definitivamente mostrar. Certamente, ainda há muito a fazer.,à medida que a ciência do BPA progride, um desafio paralelo é converter seus resultados em procedimentos novos, práticos e transparentes para investigações de assassinatos e apresentações em tribunal. Mas os profissionais do BPA não se congratularam inteiramente com estas mudanças, que ameaçam perturbar os procedimentos de campo estabelecidos, uma reação também encontrada em outros lugares no estabelecimento forense., No entanto, diz Carriquiry, para muitos tópicos da ciência forense “nós conseguimos fazer incursões importantes e estabeleceu algumas parcerias significativas com os profissionais forenses que vêem o nosso trabalho como um meio para tornar o seu mais objetivo e ‘científico’ “. Estes parceiros incluem o centro de ciência forense de Houston e o Departamento de Polícia de Los Angeles. agora, com o apoio da CSAFE e de outras agências federais dos EUA, pesquisadores estão trabalhando especificamente para fortalecer as conexões entre o BPA e as comunidades de dinâmica de fluidos, e para fornecer aos praticantes resultados úteis., Por exemplo, Attinger e co-autores escreveram um artigo tutorial no qual discutem as forças em jogo em dinâmica de fluidos e como determinam o comportamento de gotas de sangue em uma cena de crime (Forensic Science International 231 375). Attinger também publicou gráficos baseados na dinâmica de fluidos que tornam simples para os investigadores no campo estimar a distância máxima que uma gota de sangue percorreu (Forensic Science International 298 97).,

Em outro esforço, Attinger foi publicado trás-os respingos de padrões de sangue humano, produzido em laboratório por tiro de arma de fogo (figura 3), com rigoroso controle de armas de fogo e munições utilizadas e o arranjo físico (Dados em Breve 22 269); e um segundo conjunto de sangue padrões produzidos por instrumentos sem corte (Dados em Breve 18 648). Estas fornecem imagens de alta resolução de manchas de sangue geradas em condições variadas, para treinamento e uso de pesquisa (Figura 4)., Em um projeto, Hal Stern da Universidade da Califórnia-Irvine, um estatístico e co-diretor da CSAFE, está examinando as imagens para características distintivas que os praticantes poderiam usar para distinguir entre possíveis fontes para os spatters observados. Em outros outreach, os pesquisadores do BPA também apresentam palestras e sessões de treinamento em sociedades profissionais.

infelizmente, a adoção generalizada de práticas e treinamento mais rigorosos BPA não virá rapidamente, ou automaticamente apagar as deficiências do passado que produziram evidências não confiáveis e falsas acusações. Também não é provável que os padrões legais para a aceitação de provas do BPA mudem em breve o suficiente para afetar o próximo recurso de Joe Bryan para um novo julgamento., Esse pedido foi negado em 2018, mas os seus advogados estão agora a preparar um último esforço perante o Tribunal de recurso Criminal do Texas. No entanto, Bryan tem quase 80 anos. Mesmo que um novo julgamento seja aprovado, pode não chegar a tempo de fazer-lhe qualquer bem.seja qual for o resultado, a extensa cobertura do caso Bryan junto com o relatório NAS e outras avaliações do BPA descobriram seus problemas e motivaram o progresso em direção a uma melhor física dos padrões sanguíneos., Isto pode, pelo menos, garantir que as futuras provas de sangue serão mais eficazes na identificação dos verdadeiros autores sem condenar injustamente pessoas inocentes.