biofysik (Svenska)

Joe Bryan, en gång en populär och respekterad gymnasielärare i en liten Texas stad, har varit i fängelse i över 30 år. Han avtjänar en 99-årig dom för skytte och mord på sin fru 1985. Bevisen som anklagade honom innebar fläckar av offrets blod som hittades på en handhållen fackla., Ett vittne, som bedömdes som expert på den rättsmedicinska tekniken för blodmönsteranalys (BPA), tolkade dessa fläckar som att placera Bryan nära sin fru när hon sköts – ett vittnesbörd som var i spetsen för Bryans övertygelse. Det överskred utjämnande bevis för att han faktiskt var på en konferens 120 miles away – ett alibi som gjorde det nästan omöjligt för honom att ha skjutit sin fru, eftersom han skulle ha varit tvungen att lämna evenemanget, resa hem, begå mord och återvända till konferensen inom en viss tidsram. Bryan upprätthåller sin oskuld till denna dag.,

bevis som detta, baserat på det fysiska beteendet hos blodet som genereras på en brottsplats, har rötter i slutet av 1800-talets Europa. Det blev framträdande i USA under den berömda Sam Sheppard mordrättegången 1955, och har spelat en viktig roll i andra mordförsök sedan-inklusive fotbollsspelare och skådespelare O J Simpson (1994-1995, dom av icke skyldig) och musikproducent Phil Spector (2007-2009, omprövning dom av skyldig).,

polisutredare använder BPA för att arbeta bakåt från blodspår på en brottsplats, så att de kan rekonstruera de berörda personernas och vapnens platser och handlingar. Spåren inkluderar droppar, smuts och stänk, som skapas när droppar blod utstrålar från effekten av en kula eller trubbigt instrument tills de stöter på en yta och fläckar den. Men enligt en häpnadsväckande 2009-rapport från US National Academy of Sciences (NAS) som fortfarande resonerar idag saknar BPA vetenskaplig noggrannhet och giltig ackreditering för sina utövare., Detta är en allvarlig oro eftersom BPA-resultaten har dömt människor senare visat sig vara oskyldiga, som många tror att Bryan är; och eftersom brist på förtroende för BPA-analys kan tillåta de skyldiga att gå fri. Som ett resultat har det blivit viktigt att ompröva fysiken bakom BPA.

även om USA leder världen i vapenägande – det finns 120 vapen per 100 personer, och 64% av amerikanska mord är vapenrelaterade-andra länder har också många skottlossning., Till exempel, 30% av mord i Kanada involverar vapen, medan ett dussin nationer, inklusive Brasilien, överstiger USA i deras hastighet av vapendöd per 100.000 personer. Att fastställa BPA: s vetenskapliga giltighet skulle därför kunna ha en internationell inverkan på hanteringen av världens 250 000 årliga vapenrelaterade dödsfall genom att hjälpa till att kategorisera dem som mord eller självmord-och i det förra fallet potentiellt ställa förövarna inför rätta.,

blodigt beteende

När det gäller fysik är BPA-rekonstruktion ett komplicerat problem i vätskemekanik som innebär att man spårar blodets beteende under olika krafter och omgivningsförhållanden. Utmaningen blir svårare eftersom blod är en komplex vätska som innehåller både flytande (plasma) och fasta (blodceller) komponenter. Dessutom egenskaperna hos blod – såsom dess pH eller antalet röda blodkroppar-varierar från person till person.

men detta arbete är mer än bara en akademisk övning., Det kan också ha reella effekter, enligt Alicia Carriquiry vid Iowa State University i USA. Som statistiker och föreståndare för Centrum för Statistik och Program i teknisk Bevisning (CSAFE) – finansierat av US National Institute of Standards and Technology (NIST) – Carriquiry har en bred syn på forensisk vetenskap. ”BPA är ett av de områden där vetenskapen har mycket att säga”, säger hon., ”I motsats till andra rättsmedicinska discipliner har vi i BPA faktiskt fysiska och flytande dynamiska modeller som kan hjälpa till att svara på frågor som de som har att göra med bana, ursprungsort och liknande.”

grundläggande vetenskap har dock inte tillämpats väl på BPA, enligt 2009 NAS-rapporten, som hade titeln Strengthening Forensic Science in the United States. Tillsammans med en framstående amerikansk federal domare och en akademisk statistiker inkluderade den bidragsgivare från relevanta vetenskapliga discipliner, inklusive fysik., I allmänhet, med undantag för DNA-analys, fann rapporten brister i praktiskt taget alla rättsmedicinsk teknik – inklusive analys av hår, fibrer, fingeravtryck och bitmärken. ”Tolkningen av rättsmedicinska bevis är inte alltid baserad på vetenskapliga studier för att bestämma dess giltighet”, konstaterade den. ”Detta är ett allvarligt problem.”En separat rapport i 2016 från USA: s presidents råd om vetenskap och teknik – skriven av chefen för Office of Science and Technology Policy tillsammans med en panel av forskare – ekade denna kritik.,

för BPA i synnerhet noterade NAS-rapporten komplexiteten i fluiddynamiken och indikerade att BPA-analytiker skulle förstå den involverade fysiken. Men utan några strikta utbildningskrav för certifiering som BPA – expert – de är utbildade endast för att följa förpackade förfaranden-drog rapporten slutsatsen att ”bloodstains mönsteranalytikers åsikter är mer subjektiva än vetenskapliga…osäkerheterna i samband med är enorma.,”I 2018 nådde Texas Forensic Science Commission liknande slutsatser om Bryan-fallet och kallade tolkningen av BPA-bevisen ”felaktig” och ”vetenskapligt olämpliga”.

fortfarande, korrekt används, BPA kan ge värdefulla ledtrådar för att förstå omständigheterna i ett skytte. Till exempel kommer bloddroppar som slår golvet i en vinkel att skapa en uppsättning elliptiska fläckar, vars bredd-till-längd-förhållande ger slagvinkeln (figur 1). BPA-analytiker är utbildade för att rita raka banor som följer den långa dimensionen av varje ellips vid den slagvinkeln., Dessa vägar konvergerar, vilket ger en position från vilken blodet härstammar. Medan detta korrekt ger projiceringen på golvet på platsen för ett skottsår, överskattar raklinjeproceduren sårets höjd, eftersom de sanna banorna under gravitationen är parabolas modifierade av aerodynamisk drag. Felet är vanligtvis tillräckligt stort för att felaktigt placera ett offer som stående snarare än sittande.,

detta är en av de etablerade BPA-metoderna som djupare fysisk analys kan förbättra. Under 2011 fysiker Christopher Varney och Fred Gittes vid Washington State University sätta projektil-motion ekvationer, inklusive allvar och dra, till en form som använder alla de uppgifter som ingår i en uppsättning av sprut blodfläckar (Am. J. Phys. 79 838)., De fann att en plot av slagvinklarna för fläckarna kontra inversen av deras horisontella avstånd från den vertikala axeln av påverkan ger ett giltigt resultat för höjden, förutsatt att lanseringsvinklarna för dropparna inte är alltför utbredda. I ett test som sprutade en viskös blodsubstitut använde forskarna detta tillvägagångssätt för att beräkna den faktiska lanseringshöjden på 88 cm till inom 8%. Som jämförelse överskattade de linjära banorna lanseringshöjden med 100%.,

i 2015 Nick Laan, vid universitetet i Amsterdam och Nederländerna Forensics Institute, och kollegor använde istället vätskekvaliteterna av blod för att hitta höjden på ett skottsår (Vetenskapliga Rapporter 5 11461). Tidigare arbete hade härlett en ekvation som relaterar slaghastigheten hos en vätskedroppe blod till dess volym och slagvinkel och till bredden på den torkade fläcken som den producerade enligt det kända kapillär-och viskösa beteendet hos blod. För att tillämpa denna metod skapade forskarna stänkmönster av humant blod under kontrollerade förhållanden., För var och en av 40 separata blodfläckar bestämde de sin bredd och slagvinkel, och med hjälp av en kommersiell 3D-ytskanner mätte volymen av fläcken, från vilken de fann volymen av den ursprungliga droppen. Dessa parametrar gav slaghastigheten, vilket gav tillräckligt med information för att lösa ekvationerna för rörelse under gravitation med aerodynamisk drag. Resultaten för höjden där varje droppe härstammar hade ett medelvärde på 58,5 cm, endast 8% under den sanna höjden på 63,7 cm. Under tiden gav den raka metoden 91,1 cm-ett mycket större 42% fel.,

A bullet ’ s journey

dessa två papper och andra analyserar bloddropparnas beteende efter att de har bildats, för att förbättra standard BPA. Men mekaniska ingenjörer och vätska dynamicists Alexander Yarin och Patrick Comiskey från University of Illinois at Chicago, tillsammans med Daniel Attinger vid Iowa State, har gått vidare. De har modellerat hela processen från kulan som kommer in i kroppen till det slutliga blodfläckmönstret.,

sedan 2016 har dessa forskare utvecklat fluiddynamiska teorier för skottstänk och framåtstänk, där bloddroppar reser respektive mot och med kulans riktning och visar olika egenskaper. Den Back-spatter analys-utförs för både vanliga (Phys. Rev. Vätskor 1 043201) och trubbig-nosed (Phys. Rev. Vätskor 2 073906) kulor – är baserad på den välkända Rayleigh–Taylor instabilitet., I denna effekt skapar acceleration vinkelrätt mot gränssnittet mellan två vätskor med olika densiteter – här blod och luft-växande turbulens och blandning mellan vätskorna. (Ett anmärkningsvärt exempel på instabiliteten är de spektakulära filamenten som ses i den expanderande Krabbnebulosan, där de två vätskorna består av material som kastas ut av krabbans första supernovaexplosion och en plasma av relativistiska laddade partiklar som drivs av krabbans centrala pulsar.,) Under tiden, framåt stänk, orsakade när kulan lämnar en kropp efter flera störande möten med blod och vävnad, behandlades annorlunda. Dess analys använde perkolationsteori, som beskriver tillgängliga vägar genom slumpmässigt arrangerade kluster.

för båda typerna av stänk beräknade forskarna siffrorna, storlekarna och dynamiska egenskaperna hos bloddropparna som genereras av en kula; bestämde sedan sina banor under gravitation och aerodynamisk dragningskraft., Slutligen fann laget antalet resulterande fläckar, deras områden, slagvinklar och fördelning med avseende på avstånd (figur 2).

dessa beräknade resultat för blodstänkfördelningarna är ganska bra överens med data som erhållits genom att skjuta kulor i svampar eller plastskum som blötläggs med svinblod för ryggstänk och genom en blodfylld behållare för framstänk. Även om forskarna noterar att fler experiment behövs, är deras resultat viktiga steg mot en verklig fysikbaserad teori om spattering., Deras arbete pekar också på nya riktningar för studier, till exempel hur luft bärs tillsammans med bloddroppar under flygning, vilket påverkar deras banor och påverkan av temperaturen på blodets viskositet.

de teoretiska resultaten hittills visar värdet av fluiddynamikmetoden men också att dess komplexitet kan lägga till osäkerheter i analysen, till exempel genom de variabla egenskaperna hos blod och blodfläckar., Förutom temperatur beror blodets viskositet också på andelen röda blodkroppar, som varierar efter individ och kan påverka tillvägagångssätt som det som används av Laan och kollegor. Dessutom kan egenskaperna hos ytan som en bloddropp slår ändra hur den sprider sig och därför påverka fläcken den lämnar. Förvirrande element som dessa bör beaktas för fullt giltigt BPA som bär vikt i domstol och kan begränsa påståenden om vad BPA definitivt kan visa. Visst finns det mycket kvar att göra.,

från labb till brottsplats

när vetenskapen om BPA fortskrider är en parallell utmaning att omvandla resultaten till nya, praktiska och transparenta förfaranden för mordutredningar och rättssalspresentationer. Men BPA-utövare har inte helt välkomnat dessa förändringar, som hotar att störa etablerade fältförfaranden, en reaktion som också finns någon annanstans i rättsmedicinska anläggningen., Ändå säger Carriquiry, för många ämnen inom rättsmedicinsk vetenskap ” vi har lyckats göra viktiga inroads och etablerat några meningsfulla partnerskap med rättsmedicinska utövare som ser vårt arbete som ett sätt att göra deras mer objektiva och ”vetenskapliga”. Dessa partners inkluderar Houston Forensic Science Center och Los Angeles Police Department.

nu, med stöd från CSAFE och andra amerikanska federala myndigheter, arbetar forskare specifikt för att stärka sambanden mellan BPA och fluid dynamics communities och för att ge utövare användbara resultat., Till exempel har Attinger och medförfattare skrivit en handledning där de diskuterar krafterna i spel i fluiddynamik och hur de bestämmer blodets beteende på en brottsplats (Forensic Science International 231 375). Attinger har också publicerat diagram baserade på fluiddynamik som gör det enkelt för utredare i fältet för att uppskatta det maximala avståndet som en bloddroppe har rest (Forensic Science International 298 97).,

3 Blod och kulor i ett labb

ett exempel på blodstänk på ett kortmål, producerat av forskare vid Iowa State University med hjälp av uppsättningen som visas i Figur 4. Kulhålet kan ses i övre vänstra delen av mellanbilden.,

i ett annat försök har Attingers team publicerat Back-spatter mönster av humant blod som produceras i labbet av skott (figur 3), med noggrann kontroll av skjutvapen och ammunition som används och det fysiska arrangemanget (Data i korthet 22 269); och en andra uppsättning blodmönster som produceras av trubbiga instrument (Data i korthet 18 648). Dessa ger högupplösta bilder av blodfläckar som genereras under olika förhållanden, för utbildning och forskning användning (figur 4)., I ett projekt undersöker Hal Stern vid University of California–Irvine, en statistiker och medchef för CSAFE, bilderna för särdrag som utövare kan använda för att skilja mellan möjliga källor för observerade spatter. I andra länder presenterar BPA-forskare också samtal och utbildningar i professionella samhällen.

4 en iscensatt scen

den experimentella uppsättningen som Daniel Attinger och kollegor i Iowa använder för att studera blodfläckar.

tyvärr kommer utbredd antagande av mer rigorös BPA-övning och träning inte att komma snabbt eller automatiskt radera tidigare brister som gav otillförlitliga bevis och falska anklagelser. Det är inte heller troligt att de rättsliga normerna för godkännande av BPA-bevis kommer att förändras snart nog för att påverka Joe Bryans kommande överklagande till en ny rättegång., Denna begäran nekades i 2018, men hans advokater förbereder nu en sista dike ansträngning inför Texas Court of Criminal Appeals. Bryan är dock nästan 80. Även om en ny rättegång godkänns kan det inte komma i tid för att göra honom något bra.

oavsett det resultatet har den omfattande täckningen av Bryan-fallet tillsammans med NAS-rapporten och andra utvärderingar av BPA upptäckt sina problem och motiverade framsteg mot en bättre fysik av blodmönster., Detta kan åtminstone säkerställa att framtida blodbevis kommer att bli effektivare när det gäller att identifiera de verkliga förövarna utan att orättvist fördöma människor som är oskyldiga.