법화학: 범죄 수사 연구소를 떠받치는 과학

1984년 9월 10일 월요일 아침 9시 5분, 알렉 제프리스라는 유전학자가 레스터 대학교 자신의 실험실에서 현상을 막 마친 엑스선 필름 한 장을 세척조에서 들어 올렸다. 그가 보고 있던 것은 자기방사선 사진, 즉 방사성 탐침이 젤 위에 펼쳐진 인간 DNA 조각의 어느 위치에 결합했는지를 기록한 사진이었다. 그가 본 것은 번지듯이 흐릿한 사다리 모양의 띠 무늬였고, 그 무늬는 젤 위의 사람마다 모두 달랐다. 그뿐 아니라, 한 아이가 지닌 띠는 그 아이의 어머니와 아버지의 띠로 거슬러 올라가 추적할 수 있었다. 필름 한 장을 몇 분간 응시하는 동안 제프리스는 자신이 진정으로 새로운 무언가를 보고 있음을 깨달았다. 개인마다 고유하면서도 읽어 낼 수 있는 방식으로 유전되는 화학적 서명이었다. 그는 이 기법을 DNA 지문이라고 불렀고, 4년이 채 지나기 전에 이 기법은 역사상 처음으로 유전적 일치를 통해 형사 유죄 판결을 이끌어 내고, 잘못 기소된 첫 용의자를 풀어 주며, 하나의 학문 분야 전체를 새로 빚어내게 된다.

그 학문 분야가 바로 법화학, 곧 분석화학을 법의 문제에 적용하는 학문이다. 법화학은 DNA 시대보다 1세기 반이나 앞서 있으며, 까다로운 한 가지 생각 위에 세워져 있다. 적절하게 분석된 물적 증거는 그 어떤 목격자보다 더 믿음직하게 말할 수 있다는 것이다. 이 글은 법화학이 어떻게 작동하고 어떻게 성장했는지를, 금속 비소가 입혀진 유리관에서부터 잘못된 일치가 일어날 확률이 100경 분의 1보다 낮은 유전 프로필에 이르기까지 따라간다.

형사 사법을 바꾼 레스터의 어느 아침

레스터에서의 발견은 호기심에서 법정으로 빠르게 나아갔다. 1985년에 이르러 제프리스는 DNA 지문을 첫 실제 사건, 곧 친자 관계와 이민을 둘러싼 분쟁에 적용했고, 그 기법은 한 소년이 가족과 생물학적으로 어떤 관계인지를 입증했다. 첫 형사 적용은 1986년과 1987년 레스터셔에서 뒤따랐는데, 그것은 상상할 수 있는 최악의 상황 속에서 찾아왔다. 두 명의 십 대 소녀가 이웃한 마을들에서 살해당한 것이다. 린다 만은 1983년 나버러에서 살해되었고, 던 애시워스는 1986년 엔더비에서 살해되었으며, 두 사건에는 동일한 가해자의 흔적이 남아 있었다.

지역 주민인 리처드 버클랜드가 애시워스 살인을 자백했고, 수사는 거기서 끝났을지도 모른다. 그러나 경찰은 제프리스에게 그 자백을 생물학적 증거와 대조해 확인해 달라고 요청했다. 그의 DNA 분석은 정반대의 결과를 내놓았다. 한 남자가 두 범죄를 모두 저질렀지만, 그 남자는 버클랜드가 아니었고, 버클랜드는 1986년에 혐의를 벗었다. 이는 DNA 증거가 유죄 판결 이전에 용의자의 무죄를 입증한 최초의 사례였으며, 불편한 교훈을 안겨 주었다. 자백은 틀릴 수 있지만 화학은 틀리지 않았다는 것이다. 진범을 찾기 위해 수사관들은 대규모 검사를 시작해, 지역 마을들에 걸쳐 약 5,000명의 남성에게서 혈액과 타액을 채취했다. 그러나 그 검사만으로는 범인을 잡지 못했는데, 콜린 피치포크라는 남자가 동료를 설득해 자기 대신 시료를 내게 했기 때문이다. 그 속임수가 드러나고 나서야 피치포크는 검사를 받았고, 일치 판정과 함께 기소되었다. 그는 1988년 1월에 유죄를 인정했다. 이 사건은 두 가지 최초를 동시에 만들어 냈다. DNA 증거로 확보된 첫 형사 유죄 판결과, DNA 증거에 의한 첫 유죄 판결 이전 무죄 입증이었다.

세포 안에 담긴 화학적 서명을 읽다

제프리스가 사용한 초기 기법은 반복되는 긴 DNA 구간과 방사성 탐침에 의존하는, 손이 많이 가는 작업이었다. 현대의 법의학 DNA 분석은 더 빠르고, 더 민감하며, 거의 전적으로 자동화되어 있지만, 그 논리는 동일하다. 분석가는 생물학적 시료에서 시작하는데, 그것은 혈액일 수도, 타액, 정액, 혹은 피부 세포 몇 개일 수도 있으며, 거기서 DNA를 추출한다. 범죄 현장의 흔적에는 극히 미미한 양의 물질만 들어 있을 수 있으므로, 다음 단계는 증폭이다. 중합효소 연쇄 반응, 곧 PCR이 특정한 표적 영역을 측정할 만큼 충분해질 때까지 수백만 번 복제한다.

그 표적 영역이 핵심이다. 인간 게놈 전반에는 짧은 직렬 반복(STR)이라 불리는 짧고 반복적인 서열이 흩어져 있는데, 여기서는 짧은 DNA 모티프가 머리와 꼬리를 맞대듯 가변적인 횟수로 반복된다. 어느 위치에서든 반복 횟수는 사람마다 크게 다르며, 바로 그 변이가 프로필을 구별되게 만든다. 법의학 연구소들은 서로 다른 실험실의 결과를 비교할 수 있도록, 좌위라 불리는 이 위치들의 고정되고 표준화된 집합을 증폭한다. 증폭 후, 조각들은 모세관 전기영동을 이용해 크기별로 분류되는데, 이 방법은 전기장 아래에서 DNA 조각들을 가느다란 관으로 끌어당겨, 더 짧은 조각은 더 빨리 이동하고 더 긴 조각은 뒤처지게 한다. 그 결과물이 프로필, 곧 각 좌위에 몇 개의 반복이 자리하는지를 기술하는 일련의 숫자이며, 이 프로필은 용의자의 시료나 데이터베이스와 비교된다. 미국에서는 CODIS 시스템이 스무 개의 STR 좌위로 이루어진 핵심 패널을 사용한다. 좌위들은 통계적으로 서로 독립이 되도록 선택되기 때문에, 서로 관련이 없는 두 사람이 우연히 완전한 프로필을 공유할 확률은 100경 분의 1보다 낮으며, 이는 0이 열여덟 개 붙은 숫자다.

단 한 번의 검사로 독살범을 교수대에 보낼 수 있었을 때

DNA 이전, 법화학의 중심 문제는 독이었고, 그 중심에 선 독은 비소였다. 비소는 값이 싸고, 쥐약으로 널리 구할 수 있었으며, 음식에 넣어도 맛이 나지 않았고, 콜레라 같은 자연 질병을 흉내 내는 증상을 일으켰다. 역사의 오랜 기간 동안 비소 살인 의심 사건은 거의 입증이 불가능했는데, 당시 사용할 수 있던 검사들이 신뢰할 수 없었고 법정에서 쉽게 기각되었기 때문이다. 그것을 바꾼 것은 1836년, 영국 화학자 제임스 마시가 배심원을 설득할 만큼 충분히 민감한 방법을 발표했을 때였다.

마시 검사는 환원의 원리로 작동한다. 비소가 들어 있다고 의심되는 시료를 아연과 산으로 처리하면, 존재하는 비소는 아르신이라는 기체로 전환된다. 그 기체를 가열된 유리관으로 통과시키면, 기체가 분해되어 유리 위에 금속 비소의 반짝이는 검은 막을 남기는데, 이것이 이른바 비소 거울이다. 침착된 양은 표준 시료와 비교할 수 있었으므로, 결과가 눈에 보이는 동시에 정량적이었다. 마시 검사는 법화학자들이 추정 검사라고 부르는 더 넓은 부류의 방법에 속하는데, 이는 어떤 물질이 존재함을 결정적으로 증명하지는 않으면서도 강하게 시사하는, 빠르고 저렴한 절차를 뜻한다. 또 다른 유명한 예는 혈액에 대한 카스틀레-마이어 검사로, 1903년 에리히 카스틀레와 에리히 마이어가 개발했다. 이 검사는 헤모글로빈의 화학에 의존하는데, 헤모글로빈의 철을 함유한 헴 그룹은 퍼옥시다아제라는 효소를 흉내 낸다. 과산화수소가 있으면, 헴 그룹은 무색의 페놀프탈레인 시약을 밝은 분홍색으로 바꾼다. 양성 결과는 수사관에게 결론을 내리라는 것이 아니라 추가 검사를 하라는 신호이며, 단서와 증명을 가르는 이 구분은 이 분야 전체를 관통한다.

혼합물을 분리한 뒤, 그 모든 성분의 이름을 부르다

추정 발색 반응은 혈액이나 독의 존재 가능성을 표시할 수 있지만, 어떤 화합물이 존재하며 얼마나 들어 있는지를 확인하려면 더 강력한 기기가 필요하다. 현대 범죄 수사 연구소의 일꾼은 가스 크로마토그래피-질량 분석법, 보통 GC-MS라고 줄여 쓰는 기법으로, 서로 보완적인 두 기법을 하나의 분석으로 결합한다.

그 전반부인 가스 크로마토그래피는 분리의 문제를 해결한다. 실제 증거는 거의 결코 순수한 물질이 아니다. 예를 들어 방화 잔해 시료는 타 버린 물질과 그 위에 부어졌을지 모를 촉진제가 뒤섞인 혼돈스러운 혼합물이다. 가스 크로마토그래피는 혼합물을 기화시킨 뒤, 내부에 화학 막이 입혀진 매우 길고 가느다란 모세관 컬럼으로 불활성 기체의 흐름에 실어 보낸다. 서로 다른 화합물은 그 막에 달라붙는 정도가 제각각이어서, 컬럼을 통과하는 속도가 다르고, 깔끔하게 분류되어 하나씩 빠져나온다. 그 후반부인 질량 분석법은 식별의 문제를 해결한다. 분리된 각 화합물이 컬럼을 빠져나오면, 그것은 이온화되어 전하를 띤 조각으로 부서지고, 기기는 그 조각들의 질량 대 전하 비를 측정한다. 모든 분자는 특유의, 재현 가능한 방식으로 산산이 부서져, 분자 지문 역할을 하는 단편화 패턴을 만들어 내며, 이는 기준 라이브러리와 대조할 수 있다. 두 단계가 함께 작동하면 분석가는 지저분한 시료 하나를 받아, 화합물 단위로 그것을 해체하고, 각각의 이름을 붙일 수 있다. 바로 이 때문에 GC-MS는 남용 약물, 방화 촉진제, 독물학의 독에 대한 표준 확인 기법이다.

결코 말하지 않으면서 늘 증언하는 증거

DNA와 순수한 화학은 연구소가 하는 일의 일부일 뿐이다. 법과학의 상당 부분은 가해자가 남기지 않을 수 없었던 물리적 흔적을 읽어 내는 일로 이루어진다. 총이 발사되면, 총열에 가공된 나선형 홈, 곧 강선이 총알의 무른 금속에 가느다란 평행 긁힘, 곧 강선흔을 새긴다. 그 강선흔은 사실상 하나의 총열에만 고유하며, 그것들을 현미경 아래에서 나란히 비교하는 관행은 캘빈 고더드에 의해 체계화되었는데, 그는 법탄도학 사무국을 설립하고 1925년에 총알 비교 현미경법을 정교하게 다듬었다. 의문 문서 감정은 비슷한 추론을 종이와 잉크에 적용해, 다투어지는 서명이나 수표, 메모의 화학을 분석하여 그것이 진짜인지, 변조되었는지, 위조되었는지를 판정한다.

특히 우아한 예가 총기 발사 잔여물이다. 화기의 뇌관이 점화되면, 뇌관의 화학을 반영하는 미세 입자가 뿜어져 나오는데, 그 조성은 전통적으로 납, 안티모니, 바륨이 녹아 결합된 것이다. 그것을 찾아내는 현대적 방법은 에너지 분산형 엑스선 분광법을 결합한 주사 전자 현미경법, 줄여서 SEM-EDX다. 전자 현미경은 맨눈으로 보기에는 너무 작은 입자의 위치를 찾아내고 그 특유의 둥글고 녹은 형태를 드러내며, 엑스선 검출기는 각 입자 내부의 원소를 읽어 내어, 그것이 평범한 먼지가 아니라 잔여물임을 나타내는 납-안티모니-바륨 서명을 확인한다. 그러므로 증거의 형태가 다르면, 서로 다른 분석 대상에 맞춘 서로 다른 기기가 필요하다. DNA 서열 변이에는 모세관 전기영동, 휘발성 유기 화합물에는 GC-MS, 미량 금속에는 유도 결합 플라스마-질량 분석법, 입자에는 원소 영상화를 갖춘 현미경법이 쓰인다. 각 기법에는 저마다의 표적, 저마다의 기계, 저마다의 검출 한계가 있다.

비소에서 게놈까지, 150년의 여정

개별 방법들에서 한 걸음 물러서면 하나의 긴 궤적이 눈에 들어온다. 법화학은 1836년 마시의 비소 검사에서 시작해, 1903년 카스틀레-마이어 혈액 검사, 1925년 고더드의 총알 비교 현미경법, 1932년 FBI 범죄 수사 연구소의 설립을 거쳐, 1984년 제프리스의 DNA 지문, 1988년 피치포크 유죄 판결, 그리고 2000년대를 거치며 이루어진 CODIS STR 패널의 표준화에 이르기까지 대략 1세기 반에 걸쳐 펼쳐진다. 각 단계는 새로운 도구뿐 아니라 더 높은 수준의 확실성을 더했다.

그 확실성의 성장은 양날의 칼이며, 이 분야는 자신의 오류 가능성과도 마주해야 했다. 1992년, 변호사 배리 셰크와 피터 노이펠트는 카도조 로스쿨에 이노센스 프로젝트를 설립해, 바로 그 동일한 DNA 화학을 사용하여 오래된 유죄 판결을 다시 검토했다. 그 단체는 이후 유죄 판결 이후의 DNA 검사를 통해 미국에서 250명이 넘는 억울하게 유죄 판결을 받은 사람들의 무죄를 입증했다. 몇 년 뒤, 1995년 로스앤젤레스에서 열린 O. J. 심슨 재판은 DNA 증거를 미국 대중의 인식 한가운데로 끌어들였고, 변호인 측은 DNA 분형 자체의 화학을 공격하지 않았다. 그 대신 그들은 증거가 어떻게 수집되고, 보관되고, 다루어졌는지를 공격했으며, 이는 이 학문이 거듭 배워야 했던 교훈을 부각시켰다. 화학은 견고할 수 있지만, 하나의 결과는 그것을 둘러싼 인간의 처리 사슬, 곧 범죄 현장에서 법정에 이르는 사슬만큼만 믿을 수 있다.

핵심 요점

법화학은 분석화학을 법의 문제에 적용하는 학문이며, 그 역사는 제임스 마시의 1836년 비소 검사에서부터 대략 150년에 걸쳐 흐른다. 이 검사는 환원된 비소의 금속 거울을 침착시켜 독살범을 단죄했다. 그로부터 1984년 9월 10일 레스터 대학교에서 이루어진 알렉 제프리스의 DNA 지문 발견과, 무작위 일치 확률이 100경 분의 1보다 낮은 현대의 스무 개 좌위 CODIS 프로필에 이르기까지 이어지는데, 이 프로필은 PCR로 증폭하고 모세관 전기영동으로 분류한 표준화된 짧은 직렬 반복 좌위의 가변적 반복을 세기 때문이다. 1986년에서 1988년에 걸친 피치포크 사건은 DNA에 의한 첫 형사 유죄 판결과 첫 유죄 판결 이전 무죄 입증을 모두 만들어 냈으며, 이 한 쌍은 단죄하고 또한 풀어 주는 이 분야의 이중적 힘을 담아낸다. 이 학문은 혈액에 대한 카스틀레-마이어 페놀프탈레인 검사처럼 빠른 추정 검사와, 무엇보다 가스 크로마토그래피로 혼합물을 분리한 다음 각 성분을 그 질량 스펙트럼 지문으로 식별하는 GC-MS 같은 확인용 기기를 구분하며, 그 한편으로 SEM-EDX 같은 전문 기법은 총기 발사 잔여물의 납-안티모니-바륨 입자를 읽어 낸다. 그 모든 것을 관통하는 하나의 원칙이 있는데, O. J. 심슨 재판과 1992년에 설립되어 250건이 넘는 무죄 입증을 이끌어 낸 이노센스 프로젝트가 그것을 거듭 입증한다. 분석의 힘은 화학에만 달려 있는 것이 아니라, 증거의 온전함과 그것을 다루는 사람들에게도 달려 있다는 원칙이다.