2009 Facharbeit Kornder: Klassische und neue biologische Methoden in der modernen Kriminalbiologie: Forensische Entomologie und DNA-Typisierung
Klassische und neue biologische Methoden in der modernen Kriminalbiologie: Forensische Entomologie und DNA-Typisierung
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Facharbeit von Friederike Kornder
Friedrich-Alexander-Gymnasium
Klasse: K13
Kursleiter: StR Nicolas Jesorsky
Abgabetermin: 30. Januar 2009
A. Die Rechtsmedizin und ihre Aufgabenbereiche
Die Rechtsmedizin, auch forensische* Medizin genannt, umfasst alle ärztlichen Untersuchungen im Dienste der Rechtsprechung und Rechtspflege. Rechtsmediziner handeln im Auftrag der Staatsanwaltschaft. Sie werten medizinische Spuren aller Art aus, die für die Klärung einer Straftat von Belang sind. Die Aufgaben- und Forschungsbereiche der Rechtsmedizin umfassen eine große Bandbreite:Hierzu gehören u. a. Obduktionen, forensische Traumatologie, forensische Toxikologie, forensische Alkohologie und die forensische Molekularbiologie. Neben ihrer Arbeit an Leichen unterrichten Rechtsmediziner auch Studenten und führen Untersuchungen an Lebenden durch (z. B. medizinische Begutachtungskunde bezüglich der Vaterschaft oder der Zurechnungsfähigkeit etc.). Die europäische Rechtsmedizin reicht bis ins 16. Jahrhundert zurück. Aus dem Jahre 1532 finden sich erste Aufzeichnungen in der „Peinlichen Halsgerichtsordnung“ Karls V. darüber, dass Ärzte im Dienste der Rechtsprechung medizinisch tätig wurden. 1668 erschien in Nürnberg das erste deutsche Lehrbuch zur Gerichtsmedizin.
Einen Teil der forensischen Arbeit stellt auch die Kriminalbiologie dar. Diese wird nicht von Ärzten, sondern hauptsächlich von Biologen (aus den Fachrichtungen Entomologie, Genetik und Morphologie), Chemikern (Toxikologie) und Physikern durchgeführt. Die derzeit bekanntesten kriminalbiologischen Techniken sind „die Untersuchung von Leicheninsekten (forensische Entomologie), die Untersuchung von Blutspuren (...) [und] das Erstellen und Analysieren genetischer Fingerabdrücke (DNA-Typisierung)“. Im Folgenden sollen zwei Bereiche der Kriminalbiologie näher dargestellt und erläutert werden: die DNA-Typisierung („Genetischer Fingerabdruck“) und die forensische Entomologie.
B. Die moderne und die klassische Kriminalbiologie
I . Der „Genetische Fingerabdruck“
I.1 Theorie
1. Definition
Der „Genetische Fingerabdruck“ macht es möglich, Menschen über ihre Desoxyribonukleinsäure eindeutig zu identifizieren, weil die Erbsubstanz bei jedem Menschen auf der Welt – ausgenommen eineiige Zwillinge – verschieden und damit einmalig ist. Da in allen kernhaltigen Zellen die Erbinformation identisch ist, lassen sich alle biologischen Spuren (siehe I.1.5) untersuchen und einer bestimmten Person zuordnen.
2 . Prinzip des „Genetischen Fingerabdrucks"
„Ausgangspunkt der DNA-Typisierung ist das fadenförmige Erbsubstanzmolekül DNA, das recht stabil ist“. Die Erbinformation ist in Erbeinheiten, den sog. Genen organisiert. Die Erbeinheiten werden von Chromosomen getragen. Im Chromatin der Chromosomen liegt die DNA in mehreren verschachtelten Ebenen vor. Die fadenförmige DNA ist eine Doppelhelix (Doppelstrang), die aus den Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin, sowie einem Rückgrat aus Zuckern und Phosphaten aufgebaut ist. Die komplette genetische Information ist in der Reihenfolge der Basen verschlüsselt. „Einzelne DNA-Bereiche werden als Loci bezeichnet (Einzahl: Locus)“. Diese Loci kommen in verschiedenen Längenvarianten, den sog. Allelen, vor. Die Länge aussagekräftiger Loci wird in den Standardtypisierungen untersucht. Ca. 96 % des DNA-Doppelstrangs besteht aus Introns, deren Bedeutung noch nicht verstanden ist, die keinerlei Informationen über äußerliche Merkmale enthalten. Man bezeichnet sie als nichtcodierende Bereiche der DNA, da in diesen keine Gene vorkommen. Diese Bereiche sind in der modernen forensischen Analyse sehr wichtig, denn sie enthalten „kleine, meist zwei bis vier Basen lange Abschnitte (...), die sich mehr oder weniger häufig wiederholen“.
Man bezeichnet diese als STR-Regionen (STR = Short Tandem Repeat) (siehe I.1.6b)). Für den „Genetischen Fingerabdruck“ werden ca. 8 bis 12 STRs untersucht. Einige DNA-Bereiche können bei Menschen gleich lang sein, jedoch nicht alle. Die unterschiedlichen Längen machen die Individualität eines Menschen aus. Durch die Untersuchung dieser Längen, kann von jedem Menschen ein einzigartiger „Genetischer Fingerabdruck“ hergestellt werden (Singlelocus-RFLP) (siehe I.1.6a)).Schließlich ist noch zu bemerken, dass die Befürchtungen mancher Menschen, dass durch DNA-Typisierungen ihre Gene missbraucht werden können, unbegründet sind, da nur nichtcodierende DNA-Bereiche, die keine Gene enthalten, analysiert werden.
3. Namensgebung
1985 erfand der englische Humangenetiker ALEC JEFFREYS (*1950) den „Genetischen Fingerabdruck“. Da er erkannte, dass sich seine entwickelte Methode (siehe I.1.6a)) sehr gut zur Identifizierung von Personen eignet, suchte er einen einprägsamen Namen und entschied sich, in Anlehnung an den herkömmlichen Fingerabdruck6, seine Technik „genetic fingerprints“ zu nennen. Obwohl er nicht ganz ernst gemeint war, setzte sich dieser Begriff schnell durch. Heutzutage sprechen aber vor allem Forscher nur noch von DNA-Typisierung, was mit dem enormen Fortschritt auf diesem Gebiet und der ständigen Weiterentwicklung der ursprünglichen Methode zusammenhängt.
4. Anwendungsgebiete
Vor allem im forensischen Bereich spielt der „Genetische Fingerabdruck“ eine entscheidende Rolle. Mit ihm können Täter, die biologisches Material (v. a. Blut und Sperma) am Tatort hinterlassen haben, identifiziert werden. Hierzu werden Tatortspuren aufgenommen und mit Vergleichsspuren (meist Speichel) verglichen. Auf diese Weise lassen sich auch Personen und Tatorte einander zuordnen, oder auch Tatorte zu Tatorten (bei Serientaten) und Personen zu Personen (z. B. bei Vergewaltigungen). Auch in Vermisstenfällen oder bei der Zuordnung von Leichenteilen (zerstückelte Leiche) kommt der „Genetische Fingerabdruck“ zum Tragen. Ein weiterer Anwendungsbereich der DNA-Typisierung sind Verwandtschaftstests, hier besonders der Vaterschaftstest. Dieser kann die biologische Vaterschaft eines Vaters zu seinem Kind nachweisen oder ausschließen, da die Erbsubstanz eines jeden Menschen zur Hälfte von der biologischen Mutter und zur anderen Hälfte vom biologischen Vater vererbt wird. Auch in anderen Wissenschaften, wie der Botanik, der Zoologie und der Verhaltensforschung etc. wird die DNA-Typisierung seit einigen Jahren erfolgreich angewendet. Botaniker und Zoologen erhalten durch die DNA-Analysen Aufschlüsse über Verwandtschaftsbeziehungen bzw. Herkunft von Pflanzen und Tieren. Verhaltensforscher nutzen den „Genetischen Fingerabdruck“, um „Sozialstrukturen und damit verbundene Verhaltensweisen (z. B. Fütterungen scheinbar nicht verwandter Artgenossen) aufzuklären“. Die Anwendungsgebiete des „Genetischen Fingerabdrucks“ sind sehr vielfältig und reichen noch in viele andere Wissenschaften, die hier jedoch nicht weiter dargestellt werden.
5. Spurenkomplexe
Wie oben schon erwähnt, kann man durch DNA-Analysen biologische Spuren einem Menschen eindeutig zuordnen. Laut CHRISTOPH KELLER (Polizeirat) gehören zu den biologischen Spuren neben Blut, Sekreten (Speichel, Sperma, Vaginalsekret, Schweiß, Nasensekret), Haaren und Körpergewebe auch Ausscheidungen (Urin, Kot). Blut und Sperma sind die am meisten an Tatorten aufzufindenden Spuren, während Schweiß, Nasensekret und Ausscheidungen eine untergeordnete Rolle spielen. In Extremfällen können Typisierungen auch an Zähnen und Knochen durchgeführt werden. Der Vorteil von Spermaspuren bei der DNA-Analyse ist, dass aufgrund zahlreicher Spermien im Ejakulat ausreichend DNA für eine Typisierung vorhanden ist. Selbst eingetrocknete Spermaspuren auf Textilien können noch Monate später analysiert werden, da die DNA in den Spermienköpfen extrem dicht und sicher verpackt ist. Blut hat den Vorteil der roten Farbe, fällt also am Tatort in den meisten Fällen schnell auf. Allerdings werden nicht die Erythrozyten, die für die Farbe verantwortlich sind, sondern die Leukozyten analysiert, da die Erythrozyten keine DNA enthalten. Getrocknetes Blut kann noch nach Jahren erfolgreich typisiert werden. Auch wenn die „Hauptspuren“ Blut und Sperma relativ haltbar für DNA-Analysen sind, muss dennoch der Grundsatz bewahrt werden, Spuren schnell und sorgfältig zu sichern, da im frischen Zustand eine Typisierung meist erfolgreicher verläuft. Einige Gefahrenquellen für Spuren zeigt folgende Abbildung.
6. Methoden
a ) Klassische Methode: Singlelocus - RFLP
Im Jahre 1985 entwickelte der Genetiker ALEC JEFFREYS den Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (kurz: RFLP), der etwa bis 1992 in der forensischen Arbeit angewendet wurde. Diese Methode dient dazu, die Längenunterschiede (Polymorphismen) bestimmter DNA-Bereiche durch Zerschneiden der DNA zu ermitteln. Um die DNA an den vorgegebenen Loci zu durchtrennen, werden bestimmte Restriktionsenzyme eingesetzt. Die hierbei entstehenden Fragmente werden anschließend mit einer Pipette auf eine Agarosegelplatte übertragen. In einem elektrischen Feld werden die DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge nun voneinander getrennt, da sie je nach Größe eine unterschiedliche „elektrophoretische Mobilität“ aufweisen. Das heißt: Kleine/kurze DNA-Fragmente durchwandern (in Richtung Pluspol, da die Phosphatgruppe der DNA negativ geladen ist) das Gel, das sich in einer ionischen Pufferlösung befindet, schneller als längere/größere. So werden sie der Länge/Größe nach sortiert. Diese Methode bezeichnet man als Gelelektrophorese. Sie wird nach etwa drei Stunden gestoppt, weil zu diesem Zeitpunkt die DNA-Fragmente optimal sortiert vorliegen. Anschließend werden diese DNA-Stücke durch die sog. Southern Blot-Methode auf eine Nylonmembran übertragen und durch Wärmebehandlung darauf fixiert. Um die DNA-Fragmente nun sehen zu können, müssen Singlelocus-Sonden dazugegeben werden. Diese kurzen DNA-Stücke sind so aufgebaut, dass sie komplementär zu den Basen der gesuchten Loci sind und sich deshalb an diese anlagern. „Man nennt diesen Vorgang Hybridisierung durch komplementäre Basenpaarung“. Wie der Name Singlelocus schon sagt, zieht hier jeder Locus nur eine Sonde an. Die DNA-Fragmente beginnen nun leicht zu fluoreszieren, da die Sonden mit Leuchtmolekülen gekoppelt sind. Schließlich legt man die Nylonfolie auf einen Film. Nach einer Belichtung über Nacht sieht man auf dem Film eine exakt übereinstimmende Kopie des DNA-Musters aus dem Agarosegel. Dies ist der klassische „Genetische Fingerabdruck“. Das Muster auf dem Film kann nun eindeutig einer Person zugeordnet werden.
b) Standardmethode: STR-Typisierung
Während zur Herstellung von Restriktionsfragmentlängenpolymorphismen mindestens 5 bis 10 μg (Mikrogramm) intakter DNA für eine erfolgreiche Typisierung vorhanden sein müssen, reichen bei der Typisierung von Short Tandem Repeats schon kleinste Mengen (10 bis 50 Pikogramm) DNA aus, damit die Typisierung positiv verläuft. Auch stark degradierte DNA kann mit dieser Methode analysiert werden. Die STR-Typisierung wird seit 1992 durchgeführt und hat die usprüngliche RFLP-Methode weitgehend abgelöst. Bei der STR-Typisierung werden diese Short Tandem Repeats, DNA-Bereiche, die sich beliebig oft wiederholen, nach ihrer Größe (entspricht der Anzahl der Wiederholungen) in einem Polyacrylamid-Gel durch ein elektrisches Feld sortiert und anschließend wie ein Foto mit Silbersalzen entwickelt. Vorher jedoch muss die aus der Spur isolierte DNA vervielfältigt werden. Dies geschieht in der sog. Polymerasekettenreaktion, kurz PCR. Für die exponentielle Vermehrung der DNA-Abschnitte werden nur fünf Komponenten benötigt: „eine Pufferlösung (Medium für die Reaktion), (...) freie Basen als Bausteine für die DNA-Kopien (...), Primer (kurze, einzelsträngige synthetische DNA-Stücke, die den gewünschten DNA-Abschnitt begrenzen und zugleich als Startermoleküle dienen)“, Polymerase (Enzym, das den Kopiervorgang durchführt) und natürlich die DNA-Abschnitte aus der Spurenprobe, die vermehrt werden sollen. Nach ca. 30 Kopierrunden liegen Millionen von Kopien der DNA vor (exponentieller Kopiervorgang), die anschließend, wie schon erwähnt, in der Gelelektrophorese sortiert werden. An den Rändern im Gel lässt man immer sog. Allelcocktails „mitlaufen“, ein Gemisch aus DNA-Fragmenten, deren Länge man kennt. Die Größe der zu untersuchenden DNA-Stücke lässt sich durch die Entfernung zu den bekannten Stücken des Allelcocktails sicher berechnen. Die folgende Abbildung soll den Verlauf einer DNA-Typisierung, wie sie heute durchgeführt wird, veranschaulichen.
c) Zusammenfassung
Die Typisierung der Short Tandem Repeats (STR-Typisierung) ersetzt heute den ursprünglichen Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus, da zur erfolgreichen STR-Typisierung nur sehr wenig DNA vorhanden sein muss, wie es an Tatorten oft der Fall ist. Unterschiede der beiden Methoden:
- STR-Typisierung: Untersuchung der sich wiederholenden STR-Loci; anhand der unterschiedlich häufigen Wiederholungen wird ein eindeutiger „Genetischer Fingerabdruck“ erstellt.
- Singlelocus-RFLP: Untersuchung bestimmter DNA-Bereiche, die sich in ihrer Länge/Größe unterscheiden; anhand der bei jedem Menschen unterschiedlichen Längen kann auch hier ein eindeutiger „Genetischer Fingerabdruck“ erstellt werden, sofern genügend DNA vorhanden ist.
7 . Aussagesicherheit und Wahrscheinlichkeiten der DNA-Typisierung
DNA-Typisierungen schließen entweder etwas ein oder aus. Ausschlüsse werden immer mit hundertprozentiger Aussagesicherheit angegeben (z. B. bei Vaterschaftstests). Einschlüsse hingegen können nur mit Wahrscheinlichkeiten angegeben werden. Die hängt von der Anzahl der untersuchten Loci ab. Je mehr Loci untersucht werden, desto höher wird der statistische Wert der Einschlusswahrscheinlichkeiten, denn kein Mensch kann in allen Loci mit einem anderen übereinstimmen. Der Endwert 1:500.000 sagt z. B. aus, dass unter 500.000 Personen eine den gleichen „Genetischen Fingerabdruck“ in den untersuchten DNA-Bereichen hat, wie die untersuchte Person oder Spur. Doch auch schon geringere Einschlusswahrscheinlichkeiten,
wie 1:10.000 reichen vor Gericht meist aus, wenn die Zahl der Tatverdächtigen begrenzt ist. Mittlerweile können schon Wahrscheinlichkeiten von 1:5 Milliarden erzielt werden.
Auch ist es möglich – zurzeit noch unter hohem Kostenaufwand – seine komplette DNA sequenzieren zu lassen. Dies könnte in einigen Jahren, wenn das Verfahren
kostengünstiger wird, auch zu einer effektiven Methode werden, eineiige Zwillinge zu unterscheiden.
8. Ergebnisauswertung anhand eines DNA-Mustervergleichs
Folgender Fall: „Einbruchdiebstahl. Tatortspur: eine Zigarettenkippe. Tatverdächtige: die Herren Schmitz und Schulz. Das DNA-Profil von Herrn Schmitz stimmt in allen Allelen und an beiden Loci mit dem an der Kippe überein. Bei Herrn Schulz' Profil deckt sich nur ein Allel an einem Locus. Schmitz kann der Spurenleger sein, Schulz nicht.“ (siehe [Abb. 6]). Wichtig bei der Ergebnisauswertung ist, dass man sich immer im Klaren ist, dass die DNA-Typisierung „die übrigen rechtsmedizinischen und kriminalistischen Untersuchungen oft nur ergänzt und stützt, aber nicht immer für sich alleine stehen kann“.
9. Zukünftige Entwicklungen
Die Typisierung nichtcodierender DNA-Bereiche entwickelt sich ständig weiter. Viele Verfahren stecken noch in der Entwicklungsphase und sind in der Anwendung oft sehr teuer. Im Laufe der Jahre jedoch werden sie immer weiter perfektioniert und standardisiert, sodass sie auch in klassischen Labors angewendet werden können. Bei der Verbesserung der Techniken zielen die Forscher darauf ab, die Apparate zu verkleinern und die Analyseschritte zu verkürzen. DNA-Chips sollen zukünftig „hunderte (statt bislang dutzende) von DNA-Proben innerhalb von Minuten statt Stunden“ auftrennen. Langfristig könnte sich auch eine völlig neuartige Methode, die Elektrospray-Ionisation durchsetzen, bei der weder Längen noch einzelne Basenveränderungen dargestellt werden, sondern nur die Anzahl der Basen (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin) in der DNA-Probe mittels Massenspektroskopie untersucht wird.
I.2 Praxis
1 . Der „Genetische Fingerabdruck“ bei Vaterschaftstests:
Praktikum bei bj-diagnostik in Gießen
Am 12.08.2008 hatte ich einen Tag lang die Möglichkeit, das Verfahren der DNAIsolation im Labor von bj-diagnostik live mitzuerleben. Dafür möchte ich mich bei Dr. Michael Jung, Mareike Heberling und ihrem Team bedanken. Im Folgenden soll der klassische Arbeitsablauf in einem DNA-Labor in Grundzügen dargestellt werden: Zunächst werden Proben der eingeschickten Wattestäbchen, Zahnbürsten o. ä. in sog. Eppendorfgefäße gegeben. Aus den Proben wird nun die DNA durch Hinzugabe verschiedener Proteinasen, Puffer etc. und durch Wärmeeinwirkung herausgelöst und gewaschen. Sie liegt anschließend in gelöster Form vor und kann dann mit der PCR weiterbehandelt werden. Wie mir erklärt wurde, gibt es für die DNA-Isolation mehrere Möglichkeiten: Alkoholfällung (chemisch), Phenolchloroform-Fällung (giftig) und die dort praktizierte physikalische Auftrennung mit einer Glasfasermembran (sog. Säulchen in den Eppendorfgefäßen). Eine weitere Auftrennungsmöglichkeit ist die DNA-Isolation mit Magnetpartikeln, die maschinell betrieben wird (z. B. in der Rechtsmedizin München) (siehe E.4: DNA-Isolation). Bei der Isolation der DNA werden durch die Proteinasen die Zellwände „aufgeknackt“ (Lyse), sodass die Zellorganellen frei in der Lösung schwimmen. Nach zwei Waschschritten liegt nur noch die reine humane DNA in der Pufferlösung vor. In der Polymerasekettenreaktion werden die interessanten DNA-Fragmente (ca. 12 STRs) im Thermocycler (siehe E.4: Thermocycler) vermehrt. Durch Kapillarelektrophorese werden die Fragmente in einem Spannungsfeld der Länge nach sortiert und anschließend am Computer ausgewertet. Folgendes Bild zeigt einen positiven Vaterschaftstest. Auswertungen am Computer werden mit Peaks und nicht mit Banden dargestellt. Während der kompletten Untersuchung werden die Proben absolut anonym behandelt und nur durch Zahlenkombinationen unterschieden. Folgendes Foto zeigt das klassische Paket, das einem Kunden zugeschickt wird. Es enthält ein Anschreiben, einen Vertrag, ein Zertifikat des Unternehmens bj-diagnostik, eine Entnahmeanleitung für die Speichelproben mit Widerrufsbelehrung, einen Rücksendeumschlag, jeweils zwei Wattestäbchen für den möglichen Vater, die Mutter und das Kind, und Umschläge für die benutzten Wattestäbchen, die getrocknet werden müssen und nicht mit den anderen Wattestäbchen in Kontakt kommen dürfen (Gefahr der DNA-Verunreinigung).
I I. Forensische Entomologie
II.1 Theorie
1. Definition
Die forensische Entomologie beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Insektenfauna auf Leichen. Deshalb kann man auch von „rechtsmedizinisch-kriminalistisch angewandte[r] Gliedertierkunde“ sprechen. Durch die Insekten auf der Leiche kann der forensische Entomologe den Todeszeitpunkt berechnen und eventuell auch Aussagen über die Todesursache machen. Dies ist möglich, da die Entwicklungsabläufe bekannter leichenbesiedelnder Insekten zu unterschiedlichen Umweltbedingungen bekannt ist.
2. Insektenfauna auf Leichen
Leichen werden hauptsächlich von Fliegen (Diptera) und Käfern (Coleoptera) besiedelt. Diesen dient die Leiche als Nahrungsquelle. „Sekundäre Leichenbewohner“ (viele Käfer und auch Spinnentiere) ernähren sich nicht von Leichengewebe, sondern von den darauf lebenden Fliegen- oder Käfermaden. Je nach Liegedauer kann man unterschiedliche Insekten auf und in der Leiche entdecken. Man spricht von sog. Besiedlungswellen. Auch äußere Faktoren wie Liegeort (z. B. Wohnung oder Wald), Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Zugänglichkeit für die Insekten müssen bei der Begutachtung berücksichtigt werden. Frei liegende Leichen werden meist zunächst von Schmeißfliegenmaden besiedelt. Schmeißfliegen können frische Tote über eine weite Strecke geruchlich wahrnehmen und fliegen deshalb rasch darauf zu. Sie legen ihre Eier in Eipaketen an Körperöffnungen oder Wunden des Toten ab, da an diesen Stellen das Gewebe am besten für die wenig später aus den Eiern schlüpfenden Maden zugänglich ist. Diese schaben mit ihren Mundwerkzeugen winzige Partikel aus dem Leichengewebe, „die sie zuvor mit Körperausscheidungen angedaut haben“. Augen, Augeninnenwinkel, Nase, Mund, Ohren und der Genitalbereich sind solche Stellen. Käsefliegenlarven bevorzugen hingegen Leichen, deren Gewebe sich bereits in breiigem Zustand befindet, sind also „erst zwei bis drei Monate post mortem auf dem Leichnam zu finden“. Teppich- und Speckkäfer finden sich hauptsächlich auf trockenen Leichen, da sie auf eingetrocknete, ledrige Haut spezialisiert sind. Aaskäfer können sich sogar noch von mumifizierten Leichen ernähren. Es ist wichtig, zwischen den Larven der Insekten und ihren Erwachsenenstadien zu unterscheiden. Erwachsene Gliedertiere können Leichen über einen längeren Zeitraum besiedeln als ihr Larvalstadium, da die Larven meist nur weiches bzw. breiiges Gewebe aufnehmen können. Die wichtigsten Leicheninsekten zeigt folgende Abbildung. Hier sind von links nach rechts abgebildet:
- die Schmeißfliege (Calliphora vomitoria) (nur ihre Larven ernähren sich von Leichen)
- die Schmeißfliege (Calliphora vicina) ()
- die Käsefliege (Piophila casei) (2-3 Monate post mortem; springende Larven)
- der Waldmistkäfer (Geotrupes stercorosus) (häufig auf Waldleichen; erst Wochen nach dem Todeseintritt)
- die Rothalsige Silphe (Oiceoptoma thoracium) (siedelt sehr spät auf Leichen)
- der Speckkäfer (Dermestes lardarius) (noch nach Monaten auf trockenen und mumifizierten Leichen)
- der Schwarze Totengräber (Necrophorus humator) (Junglarven ernähren sich von Aassaft; erwachsene Tiere auch auf trockenen Leichen)
- der Gemeine Totengräber (Necrophorus vespillo) (ernährt sich im Jugendstadium von Leichengewebe, später von leichenbesiedelnden Fliegenmaden)
3 . Geschichte der forensischen Entomologie
Schon sehr früh war es den Menschen bewusst, dass sich bestimmte Insekten von Leichen ernähren. Der erste bekannte Fall, der durch Insekten gelöst werden konnte, ereignete sich im 13. Jahrhundert in China. Da jedoch der Zusammenhang zwischen Leichen und Insekten und deren Bedeutung zu wenig erforscht war, dauerte es bis Mitte des 19. Jahrhunderts, bis man erkannte, dass sich diese optimal als „stille Assistenten“, das heißt zur Bestimmung von Todeszeitpunkt bzw. Todesursache, in forensischen Angelegenheiten eigneten. Erst durch zwei Publikationen von deutscher und französischer Seite wurde der Grundstein für die heutigen Kenntnisse im Bereich der forensischen Gliedertierkunde gelegt. 1882 veröffentlichte der deutsche Arzt REINHARD seine „Beiträge zur Gräberfauna“ und lieferte hiermit Beschreibungen zu forensisch-entomologischen Untersuchungen. Im Jahre 1894 erschien das Werk „La faune des cadavres“ (deutsch: „Die Leichenfauna“) des französischen Rechtsmediziners JEAN-PIERRE MÉGNIN, welches als Meilenstein der forensischen Entomologie angesehen wird. MÉGNIN beschreibt in diesem Werk die unterschiedlichen Besiedlungswellen von Leichen und ordnet ihnen bestimmte Insekten zu. Seine starre Zuordnung gilt heute aber als längst überholt. Ende des 19. Jahrhunderts griff die Anwendung der Entomologie bei der Klärung von Todesfällen auch auf Kanada und die USA über, die heute neben Frankreich und Deutschland führend auf diesem Gebiet sind.
4 . Einblick in die Arbeit der forensischen Entomologen
Hauptaufgabe der forensischen Entomologen ist die Analyse der auf Leichen gefundenen Insekten, Larven und Puppen. Diese werden im Idealfall vor dem Transport der Leiche eingesammelt, um zu verhindern, dass sie später verloren gehen. Auch ist es wichtig, die nähere Umgebung der Leiche zu untersuchen, da sich viele Larven vor dem Verpuppen von der Leiche zurückziehen. Im Labor muss nun festgestellt werden, um welche Insektenart/en es sich handelt. Hierzu werden die gesammelten Larven entweder ausgezüchtet (zeitintensiv!) oder aber in den meisten Fällen, deren Mundhaken untersucht, die bei jeder Fliegenart eine charakteristische Form haben. „Sobald die Art bestimmt ist, kann das Alter der Tiere bestimmt werden.Dazu vergleicht man das Entwicklungsstadium der Larven mit Wachstumstabellen für genau diese Art.“ Wichtig ist hierbei, die größten, also ältesten Larven zu untersuchen, da diese sich am längsten auf der Leiche befinden und daher der Leichenliegezeit am nächsten kommen. Wurden auf der Leiche auch leere Tönnchen gefunden, handelt es sich bei den gefundenen Larven nicht um die erste Besiedlungswelle, sondern bereits um die zweite oder dritte. Auch dies muss bei der Berechnung berücksichtigt werden. Da die Entwicklungsgeschwindigkeit von Larven auch stark von äußeren klimatischen Bedingungen abhängt, muss der forensische Entomologe eng mit Wetterstationen zusammenarbeiten, die ihm Informationen über die Wetterbedingungen am Leichenliegeort geben. Die forensische Entomologie kann nie einen exakten Todeszeitpunkt ermitteln, da die Zersetzungsprozesse der Leichen von etlichen inneren und äußeren Faktoren gesteuert werden, die in keinem Fall immer komplett bekannt sind. Sie können aber stets Näherungswerte liefern und den Zeitpunkt, wann die Leiche ausgebracht wurde, auf wenige Monate oder zumindest eine bestimmte Jahreszeit eingrenzen. Hierbei muss erwähnt werden, dass forensische Entomologen nie von einem Todeszeitpunkt sprechen, da das Ausbringen der Leiche nicht dem Zeitpunkt des Todes entsprechen muss. Sie kann z. B. mehrere Monate in einer Kühltruhe gelegen haben, bevor sie an einer bestimmten Stelle abgelegt wurde. Man berechnet also die Mindestliegezeit, da Leichen nur dann von Insekten besiedelt werden, wenn sie für diese zugänglich sind.
5 . Beispiele zur Anwendung der Entomologie in der Forensik
a) Liegezeitbestimmung von Leichen (Hauptanwendung)
Im Folgenden soll anhand eines Beispiels gezeigt werden, wie die Liegezeit einer Leiche berechnet wird. Findet man auf einer Leiche z. B. Käsefliegenlarven in einer großen Individuenanzahl und deren Tönnchen, ist davon auszugehen, dass es sich bereits um die zweite Besiedlungswelle handelt. Käsefliegenlarven befinden sich nur auf Leichen in bereits breiigem Zustand. Das ergibt für unser Beispiel unter Berücksichtigung der klimatischen Bedingungen (Regen und Schnee wirken sich z. B. auch negativ auf eine Insektenbesiedlung aus) eine Mindestliegezeit von ca. 90 Tagen. Die Entwicklung einer Käsefliegenlarve zum erwachsenen Tier dauert „11 bis 19 Tage[n]“. Also ergibt sich folgende Berechnung für die Mindestliegezeit der Leiche: 90 Tage bis zur Besiedlung der Leiche mit Käsefliegenlarven + 2 mal (da zweite Generation) 11 bis 18 Tage Entwicklungsdauer = 112 bis 128 Tage Liegedauer
b) Nachweis der Vernachlässigung des/r Verstorbenen
„Nekrophage Insekten ernähren sich zwar von totem, abgestorbenem Gewebe, das Vorhandensein dieses Gewebes ist aber nicht an verstorbene Menschen gebunden.“ So können z. B. abgestorbene Extremitäten oder nicht adäquat versorgte Wunden von Insektenlarven besiedelt werden. Hierbei „handelt [es] sich vorwiegend um Larven der grün und blau schillernden Schmeißfliegen (Calliphoridae).“ Dies ist meist bei älteren pflegebedürftigen Personen der Fall, die vernachlässigt werden. Kommt es zum Tod, gibt das Alter der wundenbesiedelnden Insekten die Dauer der Vernachlässigung an. Auch andere Vernachlässigungen können durch Insekten aufgedeckt werden: Dies ist der Fall, wenn sich im Genitalbereich von toten Säuglingen Larven der Stallfliege (Muscidae) befinden. Diese besiedelt nämlich kein Leichengewebe, sondern Kot und Urin, und lässt dadurch darauf schließen, dass die Windeln sehr lange nicht gewechselt wurden. Nach „kritischer Einzelfallbetrachtung“ kann auch hier Ausmaß und Dauer der Vernachlässigung angegeben werden.
6 . Lebenszyklus nekrophager Insekten
Die wichtigsten Vertreter nekrophager Insekten sind die Schmeißfliegen, deren Larven als erste Leichenbesiedler gelten. Eine Schmeißfliege, deren Lebensdauer ca. 3-4 Wochen beträgt, legt pro Eiablage ungefähr 20-30 Eier in sog. Eipaketen auf totem Gewebe (u. a. Leichengewebe) ab. „Die weitere Entwicklung folgt einem einheitlichen Schema.“ Aus den Eiern schlüpfen 1-2 mm große Maden, die sich während ihrer Entwicklung zweimal häuten. Nach erfolgter Nahrungsaufnahme verlassen sie meist die Leiche, um sich zu verpuppen. Aus dem Puparium schlüpfen dann die erwachsenen Fliegen, die nach wenigen Tagen geschlechtsreif sind, womit der Zyklus wieder von vorne beginnt. Da Fliegen wechselwarme Tiere sind, ist die Entwicklungsgeschwindigkeit in höchstem Maße von der Temperatur abhängig.„Die Entwicklungsdauer [nimmt] mit steigender Temperatur ab und bei sinkenden Werten zu.“ Bestimmte Grenzwerte dürfen jedoch nicht unter- bzw. überschritten werden, da sonst die Entwicklung gestoppt wird. Auch die Artzugehörigkeit der Fliege spielt bei der Geschwindigkeit des Entwicklungszyklus eine wichtige Rolle. Das wiederum hilft den forensischen Entomologen bei der Bestimmung der Leichenliegedauer, denn sie können in Abgleich mit Wachstumstabellen für die jeweiligen Fliegenarten, anhand der Größe und der Gestalt der aufgefundenen Maden, ablesen, wie alt diese ungefähr sind, also wie lange sie sich schon auf der Leiche befinden. Unter Berücksichtigung der Besiedlungswelle, den äußeren Gegebenheiten und der Generationszugehörigkeit der Larve kann die Liegedauer berechnet werden (siehe II.1.4 und II.1.5b)).
II.2 Praxis
1 . Versuch zur Entwicklung von Schmeißfliegenlarven zu unterschiedlichen Temperaturen
a) Vorbereitung
Am 28.10.2008 kaufte ich im Zoogeschäft Stahl in Stübach eine Dose Fliegenlarven der Art Calliphora. Sechzig der insgesamt ca. 500 Tiere sortierte ich aus, wobei ich sehr darauf achtete, dass abgestorbene oder bereits verpuppte Tiere nicht unter diesen waren31. Zwei Einweckgläser dienten mir als Zuchtgefäße, von denen eines (Zuchtgefäß A) seinen Platz in der Küche fand, das andere (Zuchtgefäß B) im Kühlschrank untergebracht wurde. In jedes Gefäß wurden anschließend 30 Larven gegeben und ich verschloss diese mit Klarsichtfolie. Katzenfutterbröckchen dienten den Larven als Nahrung. Um 18 Uhr startete das Experiment.
b) Material
- 60 Fliegenlarven
- 2 Einweckgläser als Zuchtgefäße
- Frischhaltefolie zum Verschließen der Gefäße
- 2 Thermometer
- Wattebäusche (mit Wasser getränkt)
- Katzenfutterbröckchen
- 2 separate Plastikgefäße, die als Schlüpfgefäße dienten
- Zerstäuber zum Feuchthalten der Puppen
- 2 Pfannenspritzschutzgitter, um ein Entkommen der Fliegen aus den Schlüpfgefäßen zu verhindern
c) Ablauf des Experiments
Mit diesem Versuch soll die temperaturabhängige Entwicklung von Fliegenlarven dargestellt werden. Dazu wurden täglich zweimal (früh und abends) die Gefäße auf Temperatur und Veränderungen untersucht. Die Daten sind den Tabellen im Anhang (E.2) zu entnehmen. Bei den Larven wurde ca. alle zwei Tage das Futter erneuert und ein neuer Wattebausch in das Gefäß gelegt. Verpuppte Larven wurden aussortiert und in das Schlüpfgefäß umgebettet, wo sie täglich mit etwas lauwarmem Wasser besprüht wurden, um eine Austrocknung zu verhindern. Geschlüpfte Fliegen habe ich nicht sofort freigelassen, da sie nach dem Schlüpfen eine gewisse Regenerationsphase benötigen, in der sich auch erst die Flügel glätten und aushärten, sodass sie fliegen können. Ich beendete das Experiment am 24.12.2008, nachdem sowohl im Kühlschrank, als auch im Zimmer keine Fliegen mehr schlüpften.
d) Aufgetretene Problematik und mögliche Ursachen
Vor allem das Schlüpfen der Fliegen, die bei Zimmertemperatur aufgezogen wurden, machte mir Sorgen. Am 15.11.2008 schlüpfte die sechzehnte und damit die letzte Fliege von insgesamt 29 möglichen. Über mögliche Gründe kann ich hier nur spekulieren. Auf der einen Seite ist es normal, dass nur ein bestimmter Prozentsatz der Fliegen schlüpft, auf der anderen Seite kann es auch mit Parasiten an den Maden zusammenhängen, dass diese nicht schlüpften. Da im Kühlschrank (ca. 11 °C) jedoch fast alle Fliegen schlüpften, gehe ich davon aus, dass im Zimmer entweder die Temperatur zu hoch oder die Luftfeuchtigkeit zu niedrig war. Auch ein Nichtentleeren des Darms der Maden kann dazu führen, dass es nach der Verpuppung zu keinem Schlüpfen kommt. Ein weiterer problematischer Aspekt, den ich hier noch erwähnen möchte, ist, dass der Versuch am besten im Frühjahr oder Sommer durchgeführt werden sollte. Ich jedoch musste die „Kühlschrankfliegen“, die alle erst im Dezember schlüpften, zum größten Teil nach draußen in die Kälte entlassen, wo sie höchstwahrscheinlich alle erfroren sind.
e) Ergebnis
Zunächst konnte ich anhand des Versuches feststellen, dass die Entwicklungsgeschwindigkeit bei Zimmertemperatur (ca. 22 °C) wesentlich größer ist als bei niedrigeren Temperaturen um 11 °C, die im Kühlschrank herrschten. So waren nach ungefähr 8 Tagen alle bei Zimmertemperatur gehaltenen Maden verpuppt, während dies bei Kühlschranktemperatur rund 16 Tage, also doppelt so lange, dauerte. Im Zimmer schlüpften bereits nach 6-11 Tagen die Fliegen aus den Puppen. Hingegen dauerte es im Kühlschrank 24-32 Tage nach der ersten Verpuppung, bis die Fliegen ausgeschlüpft waren. Des Weiteren erscheint mir auffällig, dass bei 22 °C zwar mehr Larven sich verpuppten (29 von 30), aber weniger Fliegen schlüpften (nur 16 von 29). Bei 11 °C sind mehr Larven gestorben (insgesamt 4 von 30 → 26 von 30 haben sich verpuppt), doch insgesamt ist aus den Tönnchen ein größerer Anteil an Fliegen geschlüpft als bei 22 °C, nämlich 22 von 26. Daraus lassen sich für meinen Versuch zwei Ergebnisthesen formulieren:
- Höhere Temperatur bedeutet schnellere Entwicklungsgeschwindigkeit (frühere Verpuppung und weniger Zeit bis zum Schlüpfen) und höhere Anzahl an Verpuppungen (entspricht weniger Todesfällen bei den Maden); aber gleichzeitig auch insgesamt weniger ausgeschlüpfte Fliegen.
- Niedrigere Temperatur bedeutet langsamere Entwicklungsgeschwindigkeit (spätere Verpuppung und mehr Zeit bis zum Schlüpfen) und geringere Anzahl an Verpuppungen (entspricht mehr Todesfällen bei den Maden); aber gleichzeitig auch insgesamt mehr ausgeschlüpfte Fliegen.
Die Ergebnisse sind im Anhang E.1 in Form von Diagrammen dargestellt.
C . Zusammenspiel der forensischen Entomologie und der DNA-Typisierung
Die forensische Entomologie und die DNA-Typisierung scheinen zwei völlig verschiedene Bereiche der Kriminalbiologie zu sein, die nie miteinander in Berührung kommen. Umso erstaunlicher ist es, dass es durchaus Fälle gibt, bei denen beide Methoden direkt kombiniert werden. Findet man an einem ehemaligen Liegeort der Leiche (z. B. in einem Kofferraum) nur Maden, kann deren Magen- bzw. Darminhalt nach den „üblichen molekularbiologischen Methoden“34 auf menschliche DNA untersucht werden. So wird nachgewiesen, dass sich die Maden von einer Leiche ernährt haben. Im Idealfall kann so „die Identifizierung der DNA einer konkreten Person“35 erbracht werden. Diese Methode ist aber nur bei fressaktiven Maden erfolgreich durchführbar, da bei Maden, deren Verdauungstrakt bereits geleert ist (kurz vor der Verpuppung), oder bei Puppen keine DNA-Analyse der Nahrung mehr möglich ist.
D. Schlusswort der Verfasserin
Abschließend möchte ich sagen, dass die Arbeit an meiner Facharbeit sehr interessant war. Ich konnte Einblicke in die Kriminalbiologie gewinnen und entdecken, wie Biologie bei der Lösung von Mordfällen oder auch beim Nachweis von Vernachlässigungen erfolgreich angewendet werden kann (forensische Entomologie). Mit DNA-Analysen können wiederum Vergewaltigungsdelikte aufgeklärt werden, und man kann nachweisen, dass sich eine bestimmte Person am Tatort aufgehalten hat, oder dass sie mehrere Verbrechen begangen hat, da an vielen Tatorten dieselbe DNA gesichert wurde. Somit sind DNA-Analysen auch gut geeignet, um Serientätern das Handwerk zu legen. Da die beiden in der Arbeit beschriebenen Methoden in der Kriminalistik natürlich nie alleine stehen, sondern auch die Ermittlungsarbeit der Polizei eine sehr entscheidende Rolle spielt, werden es Verbrecher in Zukunft schwer haben, ungeschoren davon zu kommen. Dazu trägt auch eine ständige Weiterentwicklung auf dem Gebiet der forensischen Entomologie und der DNA-Typisierung bei. Insgesamt bin ich sehr zufrieden, mich für dieses Facharbeitsthema entschieden zu haben. Ich konnte mein (kriminal)biologisches Wissen erweitern und habe viel dazugelernt.