Forensische Chemie: Die Wissenschaft hinter dem Kriminallabor

Um 9:05 Uhr am Morgen des Montags, dem 10. September 1984, zog ein Genetiker namens Alec Jeffreys ein Blatt frisch entwickelten Röntgenfilms aus einem Spülbad in seinem Labor an der Universität Leicester. Er betrachtete ein Autoradiogramm, eine fotografische Aufzeichnung davon, wo radioaktive Sonden an Fragmente menschlicher DNA gebunden hatten, die über ein Gel verteilt waren. Was er sah, war ein verschmiertes, leiterartiges Muster aus Banden, und das Muster war bei jeder Person auf dem Gel ein anderes. Mehr noch: Die Banden, die ein Kind trug, ließen sich auf die Banden der Mutter und des Vaters dieses Kindes zurückführen. In wenigen Minuten, in denen er auf ein Stück Film starrte, erkannte Jeffreys, dass er etwas wirklich Neues vor sich hatte: eine chemische Signatur, die für jeden Menschen einzigartig und doch auf lesbare Weise vererbt war. Er nannte die Technik genetischen Fingerabdruck, und binnen vier Jahren sollte sie die erste Verurteilung der Geschichte sichern, die auf einer genetischen Übereinstimmung beruhte, den ersten zu Unrecht Beschuldigten entlasten und eine ganze wissenschaftliche Disziplin umgestalten.

Diese Disziplin ist die forensische Chemie, die Anwendung der analytischen Chemie auf Fragen des Rechts. Sie ist anderthalb Jahrhunderte älter als die DNA-Ära und beruht auf einem anspruchsvollen Gedanken: dass physische Beweise, richtig analysiert, zuverlässiger sprechen können als jeder Zeuge. Dieser Artikel zeichnet nach, wie sie funktioniert und wie sie wuchs, von einem mit metallischem Arsen überzogenen Glasröhrchen bis zu einem genetischen Profil, dessen Wahrscheinlichkeit für eine falsche Übereinstimmung besser als eins zu einer Trillion ist.

Ein Morgen in Leicester, der die Strafjustiz veränderte

Die Entdeckung in Leicester gelangte rasch von der Kuriosität in den Gerichtssaal. Bis 1985 hatte Jeffreys den genetischen Fingerabdruck auf seinen ersten praktischen Fall angewendet, einen Vaterschafts- und Einwanderungsstreit, bei dem die Technik die biologische Verwandtschaft eines Jungen mit seiner Familie nachwies. Ihre erste kriminalistische Anwendung folgte 1986 und 1987 in Leicestershire, und sie kam unter den denkbar schlimmsten Umständen. Zwei Mädchen im Teenageralter waren in benachbarten Dörfern ermordet worden. Lynda Mann wurde 1983 in Narborough getötet und Dawn Ashworth 1986 in Enderby, und die Fälle trugen die Spuren eines einzigen Täters.

Ein ortsansässiger Mann, Richard Buckland, gestand den Mord an Ashworth, und die Ermittlungen hätten dort enden können, hätte die Polizei nicht Jeffreys gebeten, das Geständnis anhand der biologischen Beweise zu bestätigen. Seine DNA-Analyse bewirkte das Gegenteil. Sie zeigte, dass ein Mann beide Verbrechen begangen hatte, dieser Mann aber nicht Buckland war, der 1986 entlastet wurde. Dies war das erste Mal, dass DNA-Beweise einen Verdächtigen vor der Verurteilung entlasteten, und es trug eine unbequeme Lehre in sich: Ein Geständnis kann falsch sein, die Chemie aber war es nicht. Um den wahren Mörder zu finden, leiteten die Ermittler eine Massenreihenuntersuchung ein und sammelten Blut und Speichel von rund 5.000 Männern aus den umliegenden Dörfern. Die Reihenuntersuchung allein fasste ihn nicht, denn ein Mann namens Colin Pitchfork überredete einen Kollegen, an seiner Stelle eine Probe abzugeben. Erst als diese Täuschung ans Licht kam, wurde Pitchfork getestet, zugeordnet und angeklagt. Im Januar 1988 bekannte er sich schuldig. Der Fall brachte zwei Premieren auf einmal hervor: die erste durch DNA-Beweise gesicherte strafrechtliche Verurteilung und die erste Entlastung vor einer Verurteilung durch sie.

Die chemische Signatur im Inneren einer Zelle lesen

Die ursprüngliche Technik, die Jeffreys verwendete, war mühsam und stützte sich auf große Abschnitte repetitiver DNA und radioaktive Sonden. Die moderne forensische DNA-Analyse ist schneller, empfindlicher und nahezu vollständig automatisiert, doch die Logik ist dieselbe. Ein Analytiker beginnt mit einer biologischen Probe, die Blut, Speichel, Sperma oder einige wenige Hautzellen sein kann, und extrahiert daraus die DNA. Weil eine Spur am Tatort nur eine verschwindend geringe Menge an Material enthalten kann, ist der nächste Schritt die Amplifikation: Die Polymerase-Kettenreaktion, kurz PCR, kopiert bestimmte Zielregionen millionenfach, bis genug vorhanden ist, um es zu messen.

Diese Zielregionen sind der Schlüssel. Über das menschliche Genom verstreut liegen kurze, sich wiederholende Sequenzen, sogenannte kurze Tandemwiederholungen (STRs), bei denen sich ein kurzes DNA-Motiv Kopf an Schwanz in einer variablen Anzahl wiederholt. Die Zahl der Wiederholungen an einem gegebenen Ort unterscheidet sich von Mensch zu Mensch erheblich, und diese Variation ist es, die ein Profil unverwechselbar macht. Forensische Labore amplifizieren einen festgelegten, standardisierten Satz dieser Orte, Loci genannt, damit Ergebnisse aus verschiedenen Laboratorien verglichen werden können. Nach der Amplifikation werden die Fragmente mittels Kapillarelektrophorese nach Größe sortiert, die die DNA-Stücke unter einem elektrischen Feld durch ein dünnes Röhrchen zieht, sodass kürzere Fragmente schneller wandern und längere zurückbleiben. Das Ergebnis ist ein Profil, ein Satz von Zahlen, der beschreibt, wie viele Wiederholungen an jedem Locus sitzen, und dieses Profil wird mit der Probe eines Verdächtigen oder mit einer Datenbank verglichen. In den Vereinigten Staaten verwendet das CODIS-System eine Kernpalette von zwanzig STR-Loci. Weil die Loci so gewählt sind, dass sie statistisch unabhängig sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei nicht verwandte Menschen zufällig ein vollständiges Profil teilen, besser als eins zu einer Trillion, eine Zahl mit achtzehn Nullen.

Als ein einziger Test genügte, um einen Giftmörder zu hängen

Lange vor der DNA war das zentrale Problem der forensischen Chemie das Gift, und das zentrale Gift war Arsen. Es war billig, als Rattengift weithin erhältlich, im Essen geschmacklos, und es erzeugte Symptome, die natürliche Krankheiten wie die Cholera nachahmten. Über weite Strecken der Geschichte war ein vermuteter Arsenmord nahezu unbeweisbar, weil die verfügbaren Tests unzuverlässig waren und vor Gericht leicht abgetan werden konnten. Das änderte sich 1836, als der britische Chemiker James Marsh eine Methode veröffentlichte, die empfindlich genug war, um eine Jury zu überzeugen.

Der Marsh-Test funktioniert durch Reduktion. Eine Probe, bei der Arsen vermutet wird, wird mit Zink und Säure behandelt, und vorhandenes Arsen wird in ein Gas namens Arsin umgewandelt. Wird dieses Gas durch ein erhitztes Glasröhrchen geleitet, zersetzt es sich und lagert einen glänzenden schwarzen Film aus metallischem Arsen auf dem Glas ab, einen sogenannten Arsenspiegel. Die abgelagerte Menge ließ sich mit Standards vergleichen, was das Ergebnis sowohl sichtbar als auch quantifizierbar machte. Der Marsh-Test gehört zu einer breiteren Familie von Methoden, die forensische Chemiker Vortests nennen, also schnelle, kostengünstige Verfahren, die das Vorhandensein einer Substanz stark nahelegen, ohne es schlüssig zu beweisen. Ein weiteres berühmtes Beispiel ist der Kastle-Meyer-Test auf Blut, entwickelt 1903 von Erich Kastle und Erich Meyer. Er stützt sich auf die Chemie des Hämoglobins, dessen eisenhaltige Hämgruppe ein Enzym namens Peroxidase nachahmt; in Gegenwart von Wasserstoffperoxid färbt es ein farbloses Phenolphthalein-Reagenz leuchtend rosa. Ein positives Ergebnis sagt einem Ermittler, weitere Tests durchzuführen, nicht, einen Schluss zu ziehen, und diese Unterscheidung zwischen einem Hinweis und einem Beweis durchzieht das gesamte Fachgebiet.

Ein Gemisch trennen und dann jeden Bestandteil benennen

Ein präsumtiver Farbumschlag kann das mögliche Vorhandensein von Blut oder eines Gifts anzeigen, doch zu bestätigen, welche Verbindung vorliegt und wie viel davon, erfordert ein leistungsfähigeres Instrument. Das Arbeitspferd des modernen Kriminallabors ist die Gaschromatographie-Massenspektrometrie, üblicherweise mit GC-MS abgekürzt, die zwei einander ergänzende Techniken zu einer einzigen Analyse verbindet.

Die erste Hälfte, die Gaschromatographie, löst das Problem der Trennung. Echte Beweismittel sind fast nie eine reine Substanz; eine Probe von Brandschutt etwa ist ein chaotisches Gemisch aus verbranntem Material und dem, was an Brandbeschleuniger darübergegossen worden sein mag. Die Gaschromatographie verdampft das Gemisch und trägt es in einem Strom aus inertem Gas durch eine sehr lange, dünne Kapillarsäule, die an der Innenseite mit einem chemischen Film überzogen ist. Verschiedene Verbindungen haften unterschiedlich stark an dieser Beschichtung, sodass sie die Säule mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchlaufen und einzeln nacheinander austreten, säuberlich sortiert. Die zweite Hälfte, die Massenspektrometrie, löst das Problem der Identifizierung. Während jede getrennte Verbindung die Säule verlässt, wird sie ionisiert und in geladene Fragmente zerbrochen, und das Instrument misst das Masse-zu-Ladung-Verhältnis dieser Fragmente. Jedes Molekül zerfällt auf charakteristische, reproduzierbare Weise und erzeugt ein Fragmentierungsmuster, das als molekularer Fingerabdruck dient und mit Referenzbibliotheken abgeglichen werden kann. Zusammen erlauben die beiden Stufen einem Analytiker, eine einzelne unordentliche Probe zu nehmen, sie Verbindung für Verbindung auseinanderzunehmen und jede einzelne zu benennen, weshalb die GC-MS die Standardmethode zur Bestätigung von Suchtstoffen, von Brandbeschleunigern und von den Giften der Toxikologie ist.

Der Beweis, der nie spricht, aber stets aussagt

DNA und reine Chemie sind nur ein Teil der Arbeit des Labors. Ein großer Teil der forensischen Wissenschaft besteht darin, physische Spuren zu lesen, die der Täter nicht umhinkommen konnte zu hinterlassen. Wenn ein Geschoss abgefeuert wird, schaben die spiralförmigen, in einen Gewehrlauf eingearbeiteten Rillen, Züge genannt, feine parallele Kratzer, sogenannte Striae, in das weiche Metall des Geschosses. Diese Striae sind praktisch für einen einzigen Lauf einzigartig, und die Praxis, sie unter einem Mikroskop nebeneinander zu vergleichen, wurde von Calvin Goddard systematisiert, der ein Bureau of Forensic Ballistics gründete und die Geschossvergleichsmikroskopie 1925 verfeinerte. Die Untersuchung fraglicher Dokumente wendet eine ähnliche Logik auf Papier und Tinte an und analysiert die Chemie einer strittigen Unterschrift, eines Schecks oder einer Notiz, um zu bestimmen, ob sie echt, verändert oder gefälscht ist.

Ein besonders elegantes Beispiel ist der Schmauchspur. Wenn der Zünder einer Schusswaffe entzündet wird, sprüht er mikroskopisch kleine Partikel heraus, deren Zusammensetzung die Chemie des Zünders widerspiegelt, klassischerweise eine verschmolzene Kombination aus Blei, Antimon und Barium. Die moderne Art, sie zu finden, ist die Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie, abgekürzt SEM-EDX. Das Elektronenmikroskop ortet Partikel, die viel zu klein sind, um sie mit bloßem Auge zu sehen, und enthüllt ihre charakteristische runde, geschmolzene Form, während der Röntgendetektor die Elemente im Inneren jedes Partikels ausliest und so die Signatur aus Blei, Antimon und Barium bestätigt, die sie als Schmauch und nicht als gewöhnlichen Staub ausweist. Verschiedene Arten von Beweisen verlangen also nach verschiedenen Instrumenten, die auf verschiedene Analyte abgestimmt sind: Kapillarelektrophorese für die Variation der DNA-Sequenz, GC-MS für flüchtige organische Verbindungen, induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie für Spurenmetalle und Mikroskopie mit elementarer Bildgebung für Partikel. Jede Technik hat ihr Ziel, ihre Maschine und ihre Nachweisgrenze.

Hundertfünfzig Jahre von Arsen bis zum Genom

Tritt man von den einzelnen Methoden zurück, kommt ein langer Bogen in den Blick. Die forensische Chemie erstreckt sich über rund anderthalb Jahrhunderte, von Marshs Arsentest von 1836 über den Kastle-Meyer-Bluttest von 1903, Goddards Geschossvergleichsmikroskopie von 1925 und die Gründung des FBI Crime Laboratory 1932 bis zu Jeffreys' genetischem Fingerabdruck von 1984, der Verurteilung Pitchforks von 1988 und der Standardisierung der CODIS-STR-Palette im Verlauf der 2000er Jahre. Jeder Schritt fügte nicht nur ein neues Werkzeug hinzu, sondern auch ein höheres Maß an Gewissheit.

Das Wachstum dieser Gewissheit schneidet in beide Richtungen, und das Fachgebiet musste sich seiner eigenen Fehlbarkeit stellen. 1992 gründeten die Anwälte Barry Scheck und Peter Neufeld das Innocence Project an der Cardozo School of Law und nutzten ebendieselbe DNA-Chemie, um alte Verurteilungen erneut zu prüfen; die Organisation hat seither durch DNA-Tests nach der Verurteilung mehr als 250 zu Unrecht Verurteilte in den Vereinigten Staaten entlastet. Wenige Jahre später rückte der Prozess gegen O. J. Simpson 1995 in Los Angeles DNA-Beweise ins Zentrum des amerikanischen öffentlichen Bewusstseins, und die Verteidigung griff nicht die Chemie der DNA-Typisierung selbst an. Stattdessen griff sie an, wie die Beweise gesammelt, gelagert und behandelt worden waren, was eine Lehre unterstrich, die die Disziplin immer wieder lernen musste. Die Chemie kann solide sein, doch ein Ergebnis ist nur so vertrauenswürdig wie die Kette menschlicher Handhabung, die es umgibt, vom Tatort bis in den Gerichtssaal.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Die forensische Chemie ist die Anwendung der analytischen Chemie auf Rechtsfragen, und ihre Geschichte verläuft über rund 150 Jahre von James Marshs Arsentest von 1836, der einen metallischen Spiegel aus reduziertem Arsen ablagerte, um Giftmörder zu überführen, bis zu Alec Jeffreys' Entdeckung des genetischen Fingerabdrucks an der Universität Leicester am 10. September 1984 und dem modernen Zwanzig-Loci-CODIS-Profil, dessen Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Übereinstimmung besser als eins zu einer Trillion ist, weil es die variablen Wiederholungen an standardisierten Loci kurzer Tandemwiederholungen zählt, die durch PCR amplifiziert und durch Kapillarelektrophorese sortiert werden. Der Pitchfork-Fall von 1986 bis 1988 brachte zugleich die erste strafrechtliche Verurteilung und die erste Entlastung vor der Verurteilung durch DNA hervor, ein Paar, das die doppelte Kraft des Fachgebiets erfasst, zu überführen und zu entlasten. Die Disziplin unterscheidet schnelle Vortests, wie den Kastle-Meyer-Phenolphthalein-Test auf Blut, von Bestätigungsinstrumenten, allen voran der GC-MS, die ein Gemisch durch Gaschromatographie trennt und dann jeden Bestandteil anhand seines massenspektralen Fingerabdrucks identifiziert, während spezialisierte Methoden wie die SEM-EDX die Partikel aus Blei, Antimon und Barium von Schmauchspuren auslesen. Durch all dies hindurch zieht sich ein Grundsatz, bekräftigt durch den Prozess gegen O. J. Simpson und das Innocence Project, das 1992 gegründet wurde und für mehr als 250 Entlastungen verantwortlich ist: Die Stärke einer Analyse hängt nicht allein von der Chemie ab, sondern von der Unversehrtheit der Beweise und der Menschen, die sie handhaben.