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Aprendiendo Biologia

23/7/2022

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Biología

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UNIVERSIDAD NACIONAL
AUTONOMA DE MÉXICO

Facultad de Química

Estudio del posible efecto protector de una base
nitrogenada y su nucleósido por medio de
adsorción en arcillas minerales, expuestas a
campos altos de radiación ionizante.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
Químico Farmacéutico Biólogo

PRESENTA:
ROMERO BUSTOS VICTOR HUGO

DIRECTORA DE TESIS
Dra. Alicia Negrón Mendoza.

Ciudad Universitaria, Cd. Mx., 2017

UNAM – Dirección General de Bibliotecas
Tesis Digitales
Restricciones de uso

DERECHOS RESERVADOS ©
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL

Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México).
El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea
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fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro,
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el
respectivo titular de los Derechos de Autor.

JURADO ASIGNADO:

PRESIDENTE: Dr. Juan Manuel Navarrete Tejero
VOCAL: Mtro. Miguel Ángel Zúñiga Pérez
SECRETARIO: Dra. Alicia Negrón Mendoza
1ER SUPLENTE: Dra. Elizabeth Reyes López
2DO. SUPLENTE: Dra. Martha Verónica Escárcega B.

Sitio donde se desarrolló el tema:
INSITITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES. UNAM
DEPARTAMENTO DE EVOLUCIÓN QUÍMICA.

ASESOR DEL TEMA:
Dra. Alicia Negrón Mendoza

SUSTENTANTE:
Victor Hugo Romero Bustos

Agradecimientos

A mí universidad, Universidad Nacional Autónoma de México, la cual me abrió
sus puertas para vivir experiencias únicas e irrepetibles en la vida. Siempre estaré
orgulloso de ser universitario.
A la Facultad de Química, que a través del esfuerzo y convicción de sus docentes
he logrado dar un paso más en mi desarrollo profesional. Me esmeraré por ser un
ciudadano comprometido, preparado científica y socialmente con el desarrollo de
nuestro país y con el cuidado de nuestro medio ambiente.
A la Dra. Alicia Negrón Mendoza, gracias por poner a mi alcance un laboratorio
tan completo, donde termine enamorándome aún más de mi carrera profesional y
de la formación que me dio.
Al Instituto de Ciencias Nucleares y a todo el personal administrativo que ahí
labora, especialmente a la secretaria de departamento Liz Valle Rico, la secretaria
de la unidad de radiación Reina Salazar Gutiérrez y a los físicos; Francisco García
Flores y Benjamín Leal Acevedo.
A la Q.F.B. Claudia Consuelo Camargo que me orientó y aconsejo durante la
realización del trabajo experimental.
Al Dr. Emilio Bucio por su apoyo y sus consejos, que hacían más ameno el tiempo
en el laboratorio.
Al Dr. Alejandro Heredia por estar tan comprometido con el departamento de
Evolución Química, con el medio ambiente y con los alumnos más jóvenes.
Al Dr. Sergio Ramos Bernal por compartirme un poco de su visión tan particular
de la vida.
A todos los compañeros de laboratorio de evolución química, especialmente a
Saúl, Ellen, George, Adriana, Abi, Joao, Claudio, Nelly y Luci.
A PAPIIT (proyecto IN111116)
A José Rangel Gutiérrez del taller de manufactura avanzada
Finalmente le doy gracias a remo y al triatlón: entrenadores y amigos, que me han
forjado un estilo de vida basado en retos y con los cuales he aprendido a lo largo
del tiempo, que la alterativa fácil siempre estará acompañándonos, susurrándonos
al oído, detente o abandona, pero sabemos que cada paso que damos, cada
pedaleada, cada brazada, cada remada, nos acerca más a la meta y que el rival más
fuerte a vencer somos nosotros mismos.

DEDICATORIAS

A la vida, fuerza creadora, perfecta e infinita…….
A ti, Lidia Bustos por tu lucha contra todas aquellas situaciones difíciles, por tu esmero,
por tu perseverancia hacia el éxito, porque nunca te has dado por vencida, porque me
diste la vida y porque me has educado para ser un buen hombre. Eres una triunfadora y
un gran ejemplo, te amo mamá.
A Gabriel Romero, gracias por el tiempo que me dedicaste, la disciplina y el respeto que
me inculcaste, además de las lecciones vividas de trabajo duro y bien hecho. Te amo papá
A mi abuelita Tere y mi tía Pili, ustedes son como mis segundas madres, gracias por tanto
amor, cariño y por siempre tener fe en mí, este también es un logro suyo, las amo.
A mis abuelos y abuelas: Armando, Pedro, Pillín, Lilia y Cuca, sus abrazos son o eran los
mejores y sus consejos más valiosos que el oro, los amos viejos.
A ti chaparrita, por permitirme entrar en tu vida y ser parte de tus sueños y metas. Por
apoyarme cuando nadie más lo hace, por escucharme, por tolerarme, por creer en mí y en
mi loca manera de pensar y vivir. Lo logramos mi cielo, vamos por más, te amo Fernanda
Retana.
A Ulises Romero, sigamos luchando y disfrutando de la vida, también va por ti hermano.
A mi tía Teresita, mujer admirable, punto de inflexión en la familia y claro ejemplo de
que querer es poder.
A mi tía Lili y mis primas Mari y Lore, les agradezco todo el apoyo y esos momentos en
familia tan divertidos que hemos vivido. A mi tío Polo, por escucharme y por tener
confianza y fe en mí.
A todos mis amigos del equipo de tri UBK, especialmente a Ray Estañol y a Charlie
Gámez, que son como mis hermanos y mis secuaces, les estoy sumamente agradecido.
A mis primos Adis Bustos y Rafa Retana, que siempre están cerca y pendientes de mí.
A mi prima Marisol y sus hijos.
A todos mis tíos, tías y primos Bustos, de los cuales he aprendido cosas maravillosas a
través de la vida en el campo.
A Oscar Retana y Paty Castañeda, gracias por sus consejos y por abrirme las puertas de
su hogar.
A ti Naomi, a tu hermosa sonrisa y a tu familia Ju, Edna y Jos, que son pura fortaleza.
En general a toda mi familia, amigos y compañeros que son lo más valioso y preciado que
tengo en la vida.

Índice

I. Resumen .............................................................................................................. 1
II. Introducción ......................................................................................................... 2
a. Misión del laboratorio de evolución química del Instituto de Ciencias
Nucleares. UNAM. ............................................................................................... 2
b. Química de radiaciones. Historia ..................................................................... 3
c. Relevancia de la química de radiaciones aplicadas a diversas áreas de la
ciencia. ................................................................................................................. 7
d. Interacción de la radiación con la materia. ...................................................... 9
i. El efecto fotoeléctrico ................................................................................... 10
ii. El efecto Compton ....................................................................................... 11
iii. Producción de pares................................................................................... 12
e. Origen de la vida. ........................................................................................... 14
i. Antecedentes ............................................................................................... 14
ii. Principios de la “química de la vida” ............................................................ 16
iii. Escenario prebiótico en la Tierra primitiva ................................................. 17
iv. Fuentes de energía ....................................................................................20
v. Fuentes naturales de radiación ionizante. ................................................... 21
f. Arcillas. ........................................................................................................... 23
i. Estructura general ........................................................................................ 25
ii. Fenómeno de adsorción sobre arcillas minerales ....................................... 27
iii. Montmorillonita ........................................................................................... 29
iv. Atapulgita ................................................................................................... 30
v. Hectorita ...................................................................................................... 31
g. Bases nitrogenadas y nucleósidos ................................................................. 33
i. Purinas y pirimidinas .................................................................................... 33
ii. Nucleósidos. ................................................................................................ 36
III. Objetivos .......................................................................................................... 38
a. General .......................................................................................................... 38
IV. Procedimiento experimental ............................................................................. 39
a. Fase α ........................................................................................................... 39

b. Fase β ............................................................................................................ 40
V. Materiales y Métodos ........................................................................................ 41
a. Materiales ...................................................................................................... 41
i. Reactivos .................................................................................................... 41
ii. Equipos e instrumentos de análisis ............................................................. 41
iii. Fuente radiactiva ........................................................................................ 42
iv. Limpieza de material .................................................................................. 42
b. Métodos ......................................................................................................... 43
i. Preparación de disoluciones acuosas de xantina y xantosina ..................... 43
ii. Curvas Patrón ............................................................................................. 43
iii. Pruebas de Adsorción ................................................................................ 44
iv. Pruebas de Desorción ................................................................................ 47
v. Exposición de arcillas a radiación ionizante ............................................... 48
vi. Análisis realizados sobre muestras irradiadas ........................................... 50
VI. Resultados Fase α ........................................................................................... 51
a. Caracterización de disoluciones control: ........................................................ 51
i. Detección de la longitud de onda de máxima absorción, mediante
espectrofotometría de UV-Vis, barrido de 200-800nm. pH de las disoluciones
igual a 2. ......................................................................................................... 51
ii. Detección de los tiempos de retención mediante HPLC. Y separación de
moléculas de trabajo. ...................................................................................... 52
b. Curvas de adsorción de xantina y xantosina en montmorillonita de sodio,
hectorita y atapulgita. ......................................................................................... 53
c. Pruebas de desorción. xantina y xantosina .................................................... 56
d. Caracterización general de arcillas por FT-IR. ............................................... 61
e. Tratamiento ácido y alcalino sobre arcillas. ................................................... 63
f. Espectros FT-IR de arcillas con moléculas en estudio adsorbidas ................. 66
“cargadas”. ......................................................................................................... 66
VII. Análisis y discusión de los resultados de la primera Fase (α) ......................... 70
a. Analitos. xantina y xantosina. ........................................................................ 70
b. Pruebas de adsorción .................................................................................... 72
c. Pruebas de desorción. ................................................................................... 76
d. Espectros FT-IR ............................................................................................. 80
VIII. Resultados Fase β. Pruebas de Irradiación ................................................... 84

a. Radiólisis de Xantina HPLC ........................................................................... 85
b. Radiólisis de Xantosina. HPLC ...................................................................... 86
c. Muestras sólidas irradiadas ............................................................................ 89
d. Suspensiones................................................................................................. 92
i. Sobrenadantes ............................................................................................. 93
ii. Desorción en Suspensiones ........................................................................ 95
e. Variaciones en la recuperación de moléculas orgánicas. .............................. 98
IX. Análisis de resultados fase β. Pruebas de irradiación. ................................... 101
a. Radiólisis de xantina y xantosina ................................................................. 101
b. Muestras solidas irradiadas. Análisis ........................................................... 106
c. Suspensiones. Análisis. ............................................................................... 107
d. Caso especial hectorita ................................................................................ 108
X. Conclusiones .................................................................................................. 109
XI. Bibliografía ..................................................................................................... 111
XII. Índice de Figuras .......................................................................................... 115
XIII. Índice de Tablas ........................................................................................... 117

I. Resumen

El surgimiento de la vida en nuestro plantea es y seguirá siendo un tema intrigante
para el ser humano cuando se aborda desde una perspectiva científica. El auge
tecnológico de estas últimas décadas ha ofrecido herramientas que favorecen el
estudio con mayor profundidad de aquellas teorías que proponen que lo que
conocemos como vida, es el resultado de una constante evolución de la materia.
Muchas son las variables que se han considerado al pasar el tiempo dentro de la
evolución química dada la generación de nuevo conocimiento. En este contexto, la
inclusión de superficies sólidas como los minerales arcillosos, se ha hecho casi
necesaria, puesto que pueden favorecer reacciones químicas importantes o pueden
proteger moléculas orgánicas simples en ambientes altamente energéticos,
además, su datación posibilita su existencia en escenarios prebióticos.
Por tal motivo, se evaluó la capacidad protectorafrente a radiación ionizante (rayos
gamma), de tres diferentes minerales arcillosos: montmorillonita de sodio, hectorita
y atapulgita, cuando estos han adsorbido una base nitrogenada y un nucleósido.
La metodología nos permitió realizar una comparativa entre los efectos de la
radiación ionizante sobre las moléculas estudiadas en disolución y estas mismas
moléculas cuando están interactuando con los minerales arcillosos.
Se emplearon técnicas de UV-Vis, FT-IR y HPLC, para determinar que las arcillas
estudiadas pueden proteger la base nitrogenada de dosis de hasta 135 kGy, con
porcentajes de recuperación cercanos al 96 % en el caso de la montmorillonita de
sodio, en lo que respecta al nucleósido, su estudio se vio afectado por su alta
susceptibilidad a la hidrolisis en condiciones de pH ácidos.
Para finalmente concluir que la estructura de dichos minerales arcillosos es capaz
de absorber y atenuar los fotones incidentes, sin afectar a todas las moléculas
orgánicas previamente adsorbidas. Destacando su importancia en el campo de la
evolución química.

II. Introducción

a. Misión del laboratorio de evolución química del Instituto de Ciencias
Nucleares. UNAM.

La infinita curiosidad de nuestra especie por lo que ocurre a nuestro alrededor, nos
ha llevado a descifrar los códigos ocultos que guarda la naturaleza, estamos
empezando a entender de manera más íntima los procesos físicos y químicos
involucrados en todo aquello que nos rodea, concebimos desde otra perspectiva
nuestro pasado, presente e incluso podemos hacer ciertas predicciones objetivas
de nuestro futuro.
La labor científica es incesante, no se puede tomar un sólo respiro y evoluciona a
una gran velocidad. Han pasado poco más de 500 años desde que Leonardo Da
Vinci describe desde una serie de relaciones simétricas al cuerpo humano a través
de su obra El hombre de Vitrubio. Por otro lado, a inicios del siglo 21 se ha logrado
decodificar el genoma humano completo y con ello, podemos describir no solo
aquello que nuestros ojos pueden ver, sino que estamos adentrándonos en el
razonamiento de los mecanismos más fundamentales de nuestra existencia como
organismos biológicos.
Lo antes mencionado tiene la intención de poner en evidencia nuestra insaciable
necesidad de respuestas, de conocimiento, de nuevas ideas que nos ayuden a
entender quiénes somos y hacia dónde vamos, a través de la investigación, del
avance tecnológico y, sobre todo a través del trabajo en conjunto con otros
individuos a lo largo del planeta.
El trabajo que se realiza en el laboratorio de evolución química es el resultado de la
colaboración de distintas áreas científicas como: química, física, geología, biología
y ciencias de la Tierra, y tiene como finalidad la realización de pruebas
experimentales que tengan relación con las hipótesis acerca de cómo era nuestro
planeta en sus primeros miles de años de formación y de cómo la materia pudo
haberse ido transformado.

Tratamos de concebir la evolución, no solo con los conceptos darwinistas de
adaptación y selección natural a los que estamos acostumbrados cuando se hace
referencia a este término, sino como los posibles mecanismos o factores, que
pudieron haber ido contribuyendo a que las moléculas permanecieran estables ante
los hipotéticos ambientes tan hostiles, y que a su vez pudieran favorecer la
complejidad de las mismas por medio de diversas interacciones.

b. Química de radiaciones. Historia

La química de radiaciones es una rama de la química que se relaciona directamente
con los efectos químicos que pueden surgir debido a la interacción de la radiación
ionizante con los materiales. El termino radiación ionizante en un amplio sentido es
aplicado a fotones o a partículas que tienen la suficiente energía para ionizar las
moléculas de un determinado medio. Esto abarca fotones con un intervalo de
energía desde los 10 eV desde su primera energía de ionización hasta algunos
millones (MeV), además de partículas energéticas cargadas, electrones, positrones,
iones pesados acelerados, etcétera. En un sentido más estrecho sólo las
radiaciones antes mencionadas son consideradas dentro de la química de
radiaciones, cuyas energías son varios órdenes de magnitud superiores a las de los
enlaces químicos. El resultado de la absorción de energía es el rompimiento o re
arreglo de los enlaces químicos; en esencia, resulta la descomposición de algunas
de las moléculas iniciales y la formación de algunas nuevas (Takács y Wojnárovits,
1995).
Se puede decir que la química de radiaciones ha tenido su origen con el
descubrimiento de los rayos X por Roentgen en 1895 y de la radiactividad por
Becquerel el siguiente año. Los descubrimientos posteriores surgieron de las
observaciones en las descargas catódicas y las sales de uranio respectivamente,
que expusieron que los rayos pueden penetrar los materiales opacos y activar
emulsiones fotográficas. También permitieron descubrir la conductividad eléctrica
del aire y otros gases, por la producción de iones cargados.

Comparando la ionización producida por varios minerales y sales de uranio,
permitieron el descubrimiento del polonio y el radio por Pierr y Marie Curie en 1898
(Mould, 1998). El descubrimiento de estos elementos y el aislamiento de radio en
cantidades apreciables fueron muy importantes para el estudio de química de
radiaciones, debido a que hicieron posible poseer una fuente poderosa de radiación
ionizante.
El campo de estudio relacionado con la química y la radiación antes mencionado
permanecía sin nombre hasta 1942, cuando Milton Burton lo bautizó como “radiation
chemistry” (Rollefson, 1946).. Hoy en día, la química de radiaciones contempla la
parte física y química de la radiación, por un lado, y por otro la parte biológica de la
misma.
Lind y Day, (1961) , definen la química de radiaciones como la ciencia que estudia
los efectos químicos que trae consigo la absorción de radiación ionizante por parte
de la materia.
Hay algo de evidencia indirecta que sugiere que los estudios de la radiación
ionizante sobre la materia pertenecen al primer cuarto del siglo 19. En 1815,
Berzelius estudio la emisión de luz por parte de materiales que contenían elementos
radiactivos. En 1860, Andrews y Tait estudiaron el efecto de las descargas eléctricas
sobre gases y en 1874, Thenard condensó acetileno gaseoso bajo descargas
silenciosas. Más tarde Berthelot comprobó que tanto la formación y la
descomposición de compuestos puede llevarse a cabo por descargas eléctricas.
En 1899 los Curie fueron los primeros en publicar la coloración del vidrio y la
porcelana, y la formación de ozono a partir de oxígeno, por medio de radiación.
(Giesel, 1900), notó similitudes en los efectos producidos por la radiación y por los
rayos catódicos en la coloración de algunos haluros, él también se adentró un poco
en la descomposición del agua. Curie y Debierne (1901) siguieron la evolución de
especies de oxigeno e hidrogeno, en disoluciones de sales de radio.
Una de las investigaciones que incentivaron más el estudio de estos fenómenos
radiactivos, fueron los análisis de reacciones inducidas por radón, de Ramsay y

Bragg (1907), en los cuales encontraron que la cantidad de moléculas
descompuestas era casi igual al número de ionizaciones producidas por el radón en
el aire. (Mozumder, 1999)
Más tarde en 1917, Kailan comenzó a estudiar los efectos químicos producidos por
radiación α y γ, sobre moléculas orgánicas. A mediados del siglo 20, Mund y
colaboradores investigaron gases simples y tal vez fueron ellos los primeros en
estudiar polímeros.
En los años 1930´s, H Fricke realizo estudios sistemáticos del efecto de los rayos X
sobre disoluciones acuosas y al mismo tiempo, realizó reacciones de polimerización
a partir demonómeros simples que podían efectuarse por efecto de radiación X, γ
y neutrones. Él también notó que el bombardeo de electrones cambia las
propiedades de los polímeros, especialmente sus propiedades termales. Mucho del
trabajo en química de radiaciones fue resumido por (Lind, 1961 y Mund, 1935).
Durante la Segunda Guerra Mundial, se presentó un incremento en la actividad en
el estudio de los efectos de la radiación sobre el agua y en general sobre
disoluciones acuosas, del mismo modo se presentó un auge en los materiales
relacionados con los reactores nucleares. Este incremento fue provocado
principalmente por la necesidad de conocer los efectos de la radiación sobre materia
biológica y también para posicionar los reactores nucleares en condiciones de
operación.
Estados Unidos a través del proyecto Manhattan incentivó la investigación y el
desarrollo de tecnologías relacionadas con la radiación y sus efectos.
En general durante el periodo post guerra, el estudio de la química de radiaciones
cobró vigor y se centró en el entendimiento fundamental de la interacción de la
radiación con la materia como principal objetivo.
Alrededor de 1910, M. Curie sugirió que los iones eran los responsables de los
efectos químicos de la radiación sobre la materia. Poco tiempo después por medio
del trabajo de Lind sobre gases, se introdujo la notación M/N como expresión de
una medida cuantitativa del efecto radiactivo, donde N es el número de pares iónicos

formados y M es el número de moléculas transformadas, ya sea creadas o
destruidas.
Esta notación hace referencia a la producción o rendimiento del par iónico y es
mucho más empleada en gases donde N es una medida cuantitativa. Sin embargo,
por algún tiempo esta notación se empleó indiscriminadamente incluso en sistemas
condensados, asumiendo que la ionización no depende de la fase. La notación de
G fue introducida por (Burton, 1947) y otros para denotar el número de especies
producidas o destruidas por cada 100 eV absorbidos de radiación ionizante, esto a
partir puramente de cantidades experimentales independientes de los mecanismos
implicados o de bases teóricas.
Del mismo modo Burton tiene el crédito por la introducción del símbolo ( ),
que se lee como “bajo la acción de radiación ionizante”, sin la implicación de un
mecanismo especifico.
Dessauer (1923), propuso una teoría acerca de los efectos química-radiación,
basados en el aumento de la temperatura como resultado de la energía absorbida,
aunque fue descartada poco tiempo después debido a que este aumento local es
demasiado pequeño y de muy corta duración.
Finalmente, y omitiendo algunos sucesos históricos relacionados con la química de
radiaciones, para abordar algunos aspectos teóricos necesarios. Magee y sus
asociados, trabajaron durante los 50’s, en los mecanismos de absorción de energía,
por medio de la ionización del electrón, seguido de la formación de radicales libres,
a través de un proceso de disociación, para terminar con la formación de producto,
por medio de la difusión y la reacción de intermediarios (Burton y Magee, 1972).
Resumiendo, a lo largo de la historia la química de radiaciones ha buscado dar
respuesta a los efectos de la interacción radiación-materia, sobre bases bien
establecidas de física y química.
Una de las primeras reacciones estudiadas fue acerca de la acción de la radiación
sobre el agua. La cual descompone la molécula en una mezcla de especies de
oxigeno e hidrogeno, esta reacción se denomina como radiólisis del agua.

c. Relevancia de la química de radiaciones aplicadas a diversas áreas
de la ciencia.

La química de radiaciones, al igual que otras disciplinas científicas, tienen un campo
de aplicación muy variado, podemos mencionar al menos tres para la química de
radiaciones: vida diaria, industria y conocimiento básico. En términos generales todo
el planeta y lo que en él habita, se encuentra bajo un constante ambiente de
radiación. De acuerdo con un estimado (Vereshchinskij y Pikaev, 1964), la tasa de
exposición a radiación ambiental a nivel del mar es de alrededor de 1mR/día, donde
1 R (roentgen) es la dosis radiación X o γ, que produce 1 carga de unidad
electrostática de cualquier signo en 1 cm3 de aire a temperatura y presión constante.
Dentro de la vida cotidiana, lo antes mencionado podría considerarse como una
exposición insignificante, aunque debemos considerar que la información sugerida
para el año 1964 por Veresshinkii y Pikaev, debe de ser menor a la actual, debido
al auge tecnológico de hoy día que produce mayor exposición a diversas formas de
radiación y claro se debe de considerar el daño efectuado sobre la capa de ozono,
que ha mermado su capacidad protectora frente a la radiación solar.
Por otro lado, la dosis de radiación en diferentes etapas geológicas a lo largo de la
historia debe de ser considerada como un fenómeno difícil de evadir. En este
sentido es probable que la evolución genética del hombre se haya visto fuertemente
influenciada por la radiación ambiental (Mozumder y Hatano, 2003).
El entendimiento de los efectos que trae consigo la radiación en la biología,
dependen directamente del estudio de la química de radiaciones como ciencia
básica.
A nivel industrial la radiación es considerada tanto como mecanismo de iniciación
de reacciones, como fuente de conservación de las mismas. Por mencionar algunas
de las actividades industriales que emplean una fuente de radiación como parte de
sus procesos tenemos las siguientes: preservación de alimentos, curado de

pinturas, manufactura en la combinación madera-plástico, síntesis de etil bromuro,
materiales de intercambio iónico, síntesis de varios copolímeros, materiales de
terminado textil, esterilización de material hospitalario, etcétera.
Un hecho en el que se debe de hacer especial énfasis es acerca de la gran
importancia que tienen los experimentos en química de radiaciones, ya que podrían
considerarse como invaluables, debido a que la energía que aportan las partículas
a las moléculas es prácticamente inalcanzable mediante otras vías. La química de
iones, estados excitados y radicales libres, proporcionan un estrecho acercamiento
al entendimiento de la materia y sus interacciones, abordándolos desde una
perspectiva no convencional de la química (Mozumder, 1999).
Finalmente debemos de hacer una distinción entre la química de radiaciones y la
radioquímica, esta última a diferencia de la química de radiaciones, que hemos
estado describiendo, es la disciplina que se encarga del estudio de los elementos
radiactivos. Por otro lado, también relacionada la fotoquímica en la que el límite
superior que la distingue frente a las dos anteriores radica en la energía no mayor
de 30-50 eV por parte de un fotón.

d. Interacción de la radiación con la materia.

A continuación, mencionaremos ciertas consideraciones importantes en la química
de radiaciones sólo de manera muy breve y omitiendo algunas fórmulas
matemáticas para centrarnos en las bases teóricas.
Como hemos señalado anteriormente, la química de radiaciones está enfocada en
la interacción de partículas energéticamente cargadas; ya sean electrones,
protones, partículas alfa y otras partículas pesadas, además de fotones de alta
energía como lo son los rayos X y los rayos γ, con la materia. El resultado de esta
interacción es la ionización del medio, claro considerando cierta excitación previa,
por lo que a los rayos X y rayos γ, suele denominarse “radiaciones ionizantes”.
Desde un punto de vista comparativo, podemos mencionar que los fotones del
ultravioleta cercano y del visible, interaccionan con la materia generando estados
excitados, pero sin llegar a ionizar el medio. (Fig. 1)
Podemos entonces, referirnos a los fotones antes mencionados, como“energía no
ionizante” y las reacciones químicas que generan obedecen principalmente al
campo de la fotoquímica.

Fig. 1. Esquema que muestra el comportamiento de un electrón en estado excitado y un electrón
que deja el átomo. (ionización). Tomado de “Japan association of remote sensing,1996”

Para el correcto estudio de la radiación ionizante, es necesario el entendimiento de
los procesos por los cuales este tipo de energía interacciona con la materia, sobre
todo conocer cómo se transfiere al medio y como es absorbida, trayendo cómo
consecuencia cambios químicos relevantes.
Cuando los fotones de alta energía, (rayos X o rayos γ) interaccionan con la materia,
la mayor parte de la energía es absorbida en el medio generando la expulsión de
electrones a partir de los átomos del material. Este proceso depende principalmente
de la composición atómica, y no así de la estructura molecular. La absorción de
ondas de luz tales como: infrarrojo, luz visible, ultravioleta y rayos X ligeros,
dependen primordialmente de la estructura molecular del medio y solo
indirectamente de la composición atómica (Biaglow et al., 1987).
Lo antes mencionado acerca de los efectos de absorción, ya sea sobre los átomos
o sobre los enlaces estructurales de las moléculas, son fundamentales para la
distinción de radiación ionizante y no ionizante.
La ionización del medio por efecto de fotones de alta energía se puede efectuar
mediante tres diferentes vías, y son el objeto principal de este apartado
introductorio.

i. El efecto fotoeléctrico

Durante este efecto un fotón es absorbido completamente al tiempo que se expulsa
un electrón. La energía cinética de este electrón expulsado es igual a la diferencia
entre la energía del fotón y la energía de enlace del electrón en el átomo, de
acuerdo con la ecuación de Einstein E=hע-IB, donde E es la energía cinética
adquirida por medio de la expulsión del electrón, hע es la energía de un fotón del
haz luminoso y IB es la energía de enlace del electrón al átomo. Una cantidad de
energía insignificante es impartida al átomo residual, debido a que no todos los
electrones del átomo poseen la misma energía de enlace, por lo que a la energía
que resulta del electrón expulsado se le denomina fotoelectrón y puede variar.

Es sumamente importante señalar que, para que el efecto fotoeléctrico pueda
efectuarse, el electrón debe de estar enlazado a una molécula o a un átomo, no es
posible dar energía cinética a un electrón libre a través de este proceso, porque la
energía y momento no pueden ser conservados si el fotón debe de ser absorbido
completamente.
Para fotones con energías superiores a 1 MeV, la contribución del efecto
fotoeléctrico en el proceso de absorción total de energía es pequeña y puede no ser
considerado.
ii. El efecto Compton

Esta otra vía que también efectúa la ionización del medio, en contraste con el efecto
fotoeléctrico propone que sólo una parte de la energía incidente es absorbida para
expulsar un electrón, “electrón de Compton”, durante el proceso el fotón incidente
desaparece y uno nuevo se forma, pero, con menor energía, propagándose en una
dirección diferente, este cambio de dirección es requerido para la conservación de
la energía y momento después de la interacción.
Las bases fundamentales de este efecto consideran la interacción de los fotones
incidentes con los electrones que se encuentran en las capas exteriores, más
débilmente unidos y para propósitos prácticos se les puede considerar electrones
libres. Es necesario señalar que, para que esta consideración sea válida, la energía
de enlace de estos electrones debe ser mucho menor que la de los fotones
incidentes.
De manera resumida el efecto Compton se considera como una colisión elástica
entre un fotón y un electrón débilmente unido o sin unir. En el proceso el fotón
pierde energía y el electrón es puesto en movimiento. Algunas teorías señalan que
la distribución de la energía del electrón de Compton es muy alta y depende de la
energía del fotón incidente. En agua y en compuestos orgánicos es el efecto más
importante.

iii. Producción de pares

En todo momento los efectos Compton y Fotoeléctrico, antes mencionados,
consideran que la interacción es entre los fotones y lo electrones de los átomos,
por su parte, la producción de pares contempla que la interacción se realiza entre
los fotones incidentes con el núcleo, y tiene como resultado la desaparición por
completo del fotón y la generación de un positrón y un electrón. Este es un ejemplo
de un proceso físico en el que, la energía se convierte en masa. La energía mínima
que debe de poseer un fotón para que ocurra la producción de pares, es de 1.02
MeV. A pesar de que los fotones posean esta energía, no se garantiza que el
fenómeno ocurra.
Por ejemplo, para los rayos γ emitidos por el 60Co y con un promedio de energía de
1.2 MeV por parte de los fotones, la probabilidad de producción del par electrónico
es tan pequeña, que virtualmente la absorción de energía es mediante el efecto
Compton. En el agua la producción de pares se vuelve significante con energías
fotónicas de alrededor de 3MeV (Biaglow et al., 1987).
Se puede concluir que independientemente del mecanismo en el que interaccionan
los fotones, la generación de electrones secundarios es un fenómeno esencial,
debido a que los cambios producidos en el medio son atribuidos a estas partículas.
(Fig. 2)

Fig. 2. Efecto Fotoeléctrico, Efecto Compton y Producción de Pares. Modificado de
http://www.chemicalbiological.net

e. Origen de la vida.

i. Antecedentes

Los sedimentos más antiguos se han encontrado en Groenlandia, las huellas o
firmas isotópicas del carbono orgánico de estos metasedimentos otorgan evidencia
indirecta de que la vida puede tener alrededor de 3.7 mil millones de años de
antigüedad (Holser et al., 1988). Tomando la edad de la Tierra de aproximadamente
4.5 mil millones de años, podemos decir que la vida comenzó de manera temprana
dentro de la historia de la misma.
Las interrogantes relacionadas a quiénes somos, de dónde venimos y por qué
estamos aquí, siempre nos han acompañado, pero en algún momento de nuestra
historia estas preguntas fueron la esencia de corrientes filosóficas que dejaron
huella, existieron grandes pensadores que debatían acerca de nuestro origen, de
nuestras conductas y de nuestro porvenir, dejando a su paso grandes enseñanzas,
aunque tal vez, no de carácter científico.
El origen de la vida es un tema intrigante para muchos y sumamente sencillo e
incuestionable para otros, y que puede ser abordado desde una perspectiva
científica y/o filosófica; en este sentido tenemos en primera instancia a los
científicos, que se esmeran por proponer hipótesis acerca del surgimiento y la
evolución de la vida, y que consideran al tiempo y la materia como los factores
determinantes en la transición de lo simple a lo complejo. Seguido de ellos, tenemos
a una gran parte de la población mundial para los cuales las enseñanzas expuestas
en textos sagrados son la única y absoluta verdad existente, en lo que al origen de
la vida respecta.
Las preguntas acerca del origen de la vida y las edades de la Tierra y el Universo
no son nuevas, generaciones anteriores las han categorizado como piezas de un
rompecabezas imposible de resolver. En algunos casos, la fe religiosa continúa
consultando sus documentos sagrados acerca del “Génesis” en busca de
respuestas. El registro fósil está visto como contradictorio para las tradiciones

religiosas, de este mismo modo son considerados los temas en los cuales se
plantean formas de vida o especies diferentes sobre el planeta(evolución).
(Seckbach, 2004).

Por lo que, hasta el día dehoy, las preguntas siguen abiertas: ¿Cómo emergió la
vida sobre el planeta? ¿Cuándo y donde apareció la primera forma de vida? ¿Cómo
era la atmosfera en la Tierra primitiva? ¿Existen otros planetas que puedan albergar
vida? ¿Es la Tierra el único planeta en nuestro sistema solar o incluso en nuestra
galaxia donde ha emergido vida? ¿Hay un rol que considerar para las formas
exógenas de vida sobre la biosfera?
Muchos científicos consideran como escenarios plausibles para el origen de la vida,
aquellos donde existen diversas y extremas fuentes energéticas tales como altas
temperaturas y diversas fuentes radiactivas. Otros por su parte asumen que las
primeras moléculas orgánicas fueron traídas a la superficie terrestre por medio de
meteoritos y cometas, que prosperaron gracias a la formación de zonas de
protección generadas en aguas profundas o sobre la superficie del planeta.
A la fecha persisten algunos argumentos que indican que la composición química y
la abundancia de ciertos precursores tales como el HCN, nucleótidos y otras
moléculas reductoras, fueron las que dirigieron el proceso hacia la formación de las
primeras formas de vida (Swenson, 1989).
Para respaldar los argumentos mencionados en el párrafo anterior, mencionamos
el surgimiento de la evolución química como una serie de procesos ocurridos en la
Tierra primitiva y que hoy en día se ha convertido en una ciencia individual, que
cobra mucha importancia debido a que se define como, la serie de procesos físicos
y químicos que explican la formación abiótica de compuestos orgánicos de
importancia biológica bajo condiciones geológicas primitivas, antes de establecerse
lo que conocemos como vida (Negrón, 1993).

“Las reacciones que llevan al ensamblaje químico de moléculas prebióticas
pudieron haber tomado lugar en “sopas primigenias” en “pequeños estanques
calientes” o tal vez sobre la superficie de algunas arcillas.” (Seckbach, 2004).
ii. Principios de la “química de la vida”

Por un periodo de tiempo sumamente largo dentro de la historia moderna del ser
humano, la teoría de la generación espontánea ofreció una respuesta aceptable, y
parecía aquietar el enigma del origen de la vida. Pero gracias al riguroso
procedimiento experimental de esterilización llevado a cabo por Pasteur en 1865,
se eliminó totalmente aquella teoría casi divina, reabriendo la inquietante pregunta
acerca del origen histórico de la vida. Unos años más tarde, en 1871 Charles
Darwin nos acercó al enfoque moderno del origen químico de la vida mediante una
carta dirigida a Hooker, “Si pudiéramos contener en algún pequeño y cálido
estanque todo tipo de sales fosfóricas y de amonio, además de luz, calor,
electricidad, etc., seguido de la formación de un compuesto proteico formado
químicamente, listo para sufrir cambios más complejos, actualmente dicha materia
seria absorbida o devorada instantáneamente, lo que no hubiera ocurrido antes de
la formación de criaturas vivientes” . Esta revolucionaria idea paso algún tiempo sin
trascender, hasta que, en 1924, el bioquímico ruso Aleksander Oparin señalo que
la vida tuvo que haber surgido debido a la evolución de la materia, por efecto de la
naturaleza reductora de la atmosfera. En 1928 el biólogo británico J.B.S Haldane,
independiente al trabajo de Oparin, especuló sobre las condiciones primitivas
adecuadas para el surgimiento de vida. Indica que la exposición de una mezcla de
agua, dióxido de carbono y amoniaco a luz UV, produce una variedad de
substancias orgánicas, incluyendo azúcares y algunos otros compuestos con los
cuales se forman las proteínas.
Casi veinte años después de la publicación de Haldane, Bernal (1949) supone que
las superficies de algunas arcillas minerales estuvieron relacionadas en el origen
de la vida. Stanley Miller (1953), publica la formación de aminoácidos tales como:
glicina, alanina, acido aspártico y acido glutámico, cuando expone una mezcla de

metano, amoniaco y agua, a descargas eléctricas. Este trabajo fue el que abrió el
terreno experimental a la química prebiótica.
Las etapas secuenciales de la química prebiótica pueden ser los suficientemente
probables, según las leyes físicas y químicas, para que sean observables en el
laboratorio dentro de un periodo de tiempo razonable. Si ello es así, por lo menos
algunos de los sucesos primitivos que condujeron al origen de la vida, pueden ser
estudiados por métodos experimentales (Chamberlin y Chamberlin, 1908).
A grandes rasgos es posible según algunos autores, describir el proceso de
evolución química en tres etapas. En la primera etapa es posible que determinados
grupos de moléculas orgánicas se acumularan en el mar primitivo debido a su fácil
formación y a una estabilidad superior. Para la segunda etapa la evolución química
consistiría en que un grupo específico de moléculas orgánicas serían más capaces
de subsistir en forma de conglomerados o complejos, y no de manera aislada.
Siempre encontrando formas termodinámicas más estables que las anteriores. Y
finalmente durante la tercera etapa, algunos de los agrupamientos más complejos
de moléculas orgánicas pudieron adquirir una función, tal como actividad catalítica
o la capacidad de resistir cambios de su entorno o de modificarlo, y posteriormente
aprendieron algún modo de replicación dependiente de un patrón primitivo.
iii. Escenario prebiótico en la Tierra primitiva

Antes de continuar con las características físicas propuestas en la Tierra primitiva,
vamos a mencionar tres principios básicos que deben ser considerados para
entender de una mejor manera los posibles escenarios prebióticos: continuidad,
ubiquidad y robustez.
Continuidad, aquellos modelos que demuestran más claramente una trayectoria
evolutiva continua, que nos lleve desde los orígenes propuestos a las formas de
vida existentes, se consideran más plausibles que los modelos que requieren o
indican una discontinuidad entre el origen y las formas evolucionadas.
Ubiquidad, de manera general condiciones ubicuas pueden ser consideradas
mucho más plausibles que aquellas condiciones aisladas o de casos particulares,

a menos que se haga referencia a una situación especial, debido a que es
necesaria, pero puede o debe ser debidamente fundamentada. Por ejemplo, un
escenario marino, parece ser más plausible para un proceso biogénico que un sitio
de agua dulce, simplemente porque los océanos se presentan de manera ubicua
en la Tierra primitiva.
Robustez, un modelo robusto es relativamente independiente de parámetros
ambientales definidos de manera muy precisa. Los modelos plausibles para
química prebiótica incorporan ingredientes comunes, que no precisan de una
composición definida en su totalidad: dióxido de carbono, agua, nitrógeno,
minerales de silicio, calor y energía solar. Los cuales debieron de haber prevalecido
en abundancia en el escenario prebiótico.
Podríamos pensar entonces que la vida en la Tierra sea el resultado de una
imperceptible evolución fisicoquímica, y que se efectuaron un sinfín de
experimentos de manera natural sobre el planeta, que llevaron a la formación de
sistemas moleculares complejos, probablemente algunos de ellos tuvieron la
capacidad de capturar energía para efectuar un rudimentario proceso de
crecimiento, que pudo haber conducido a la aparición de las primeras células. Para
tener una idea más o menos clara del proceso antes mencionado, es necesario
tener una perspectiva general del posible ambiente físico en la Tierra en sus
primeras etapas después de su formación, que contemple los muchos factores que
pudieron haber estado presentes en esos momentos.
Hasta el nivel de entendimiento con el que contamos hoy en día, todos los
ambientes primitivos son especulativos y ciertamente no son las únicas
posibilidades para responder los problemas bajo estudio (Negrón-Mendozay
Ramos-Bernal, 1993).
Es probable que el artículo de Chamberlin y Chamberlin en 1908 (publicado en
Science), haya sido el primero en expresar una opinión informada acerca del
ambiente prebiótico. En el que asume que, “los planetas de reciente formación
debían contener carbono, azufre, fosforo y todos aquellos otros elementos
encontrados en la materia orgánica, generando varios compuestos a partir de los

mismos”. También propone que la llegada de material extraterrestre pudo haber
sido una fuente significativa de los elementos requeridos para la síntesis posterior
de compuestos orgánicos.
La vida en sus formas iniciales debió de originarse algún tiempo después de que la
Tierra se enfrió lo suficiente para contener agua en estado líquido, este periodo de
tiempo “El Arqueano”, debe de ser especulativo, aquellas hipótesis que puedan
plantearse al respecto deben de ser producto del razonamiento deductivo
(Seckbach, 2004).
Retomando la importancia del agua líquida, podemos mencionar que tuvo un rol
sumamente importante en cuanto a la aparición y evolución de la vida, gracias a
que favoreció la difusión y el intercambio de moléculas orgánicas. El agua líquida
posee muchas características, por ejemplo, sus moléculas pueden generar puentes
de hidrógeno con moléculas orgánicas, generando situaciones prebióticas
interesantes como la agregación estereoselectiva. Por otro lado, el agua líquida
también pudo haber sido activa en química prebiótica, a través de la producción de
arcillas y la disipación de la temperatura. Es además un poderoso agente hidrolítico
y ofrece una gran cantidad de vías químicas disponibles frente a disolventes
orgánicos. El agua líquida, por lo tanto, es considerada generalmente como un
prerrequisito para el surgimiento de la vida sobre la Tierra.

iv. Fuentes de energía

La existencia de fuentes naturales de energía es necesaria dentro de cualquier
posible escenario prebiótico, debido a que son las responsables de efectuar la
transformación de moléculas simples y precursores orgánicos en sistemas de mayor
complejidad. El flujo y la interacción de la materia requiere de manera obligada
fuentes constantes y eficientes de energía.
Las fuentes energéticas más comúnmente consideradas en química prebióticas
son: la radiación UV, descargas eléctricas, radiactividad, térmica (volcánica), ondas
de choque y rayos cósmicos. (Tabla 1)
Tabla 1. Fuentes de energía presentes en la Tierra Primitiva hace 4 Ga. Tomada de
“Radioactividad como fuente significante de energía en síntesis prebiótica” (Garzón y Garzón.2001)
Fuente
J= joule, a= año, m= metro
Flujo
(Ja -1 m-2)
Intensidad
(Ja -1 m-3)
Inventario (Energía disponible)
(Ja -1)
Radiación Solar

UV (Total) 1.40 x 108 1.20 x 104 6.0 x 1022
UV (λ≤ 150) 7.1 x 104 6 3.0 x 1019
Descargas Eléctricas 1.7 x 105 14 7.0 x 1019
Rayos Cósmicos 60 5.00 x 10-3 2.0 x 1016
Viento Solar 8.00 x 103 0.7 3.0 x 1018
Ondas de Choque 4.60 x 104 4 2.0 x 1019
Volcanes 6.00x 103 0.5 2.0 x 1017
Radioactividad 1.17 x 105 1.17 x 102 1019

Radioactividad

Corteza (vetas) 1.50 x 105 1.50 x 102 1.5 x 1019 (5.0 x 1020)
Corteza (fallas) 106 103 3.0 x 1018 (1020)
Depósitos- U (vetas) - 105 -
Depósitos- U (fallas) - 7.00 x 105 -

Podemos observar que la energía ofrecida por cada fuente puede variar algunos
ordenes de magnitud, dependiendo principalmente del flujo y la cantidad de energía
disponible. Aunque el hecho de que una fuente energética sea muy abundante, no

quiere decir que sea muy eficiente. Por ejemplo, la luz UV ha ganado terreno frente
a la radiación ionizante, en lo que respecta a teorías relacionadas a la Tierra
primitiva, debido a su abundancia, excluyendo la baja penetración que tiene en la
materia; y con ello se opta más por estados excitados, que por moléculas ionizadas.
Miller en 1986, mencionó que la luz UV promovía reacciones fotolíticas importantes
para la evolución química, pero en la parte alta de la atmosfera. Por su parte,
diferentes autores, entre ellos: Ponnamperumma, Negrón y Draganic´, han tratado
de posicionar a las fuentes de radiación ionizante, algunos peldaños más arriba en
su importancia, a través de experimentos que tienen como sustento el empleo de
radiación gamma, que es mucho más penetrante, en términos energéticos, que la
luz UV y que pudo prevalecer sobre la superficie del planeta.
Por su parte, las descargas eléctricas son una de las fuentes energéticas más
empleadas en los laboratorios de evolución química, debido a su alta eficiencia en
reacciones de síntesis abiótica en atmosferas reductoras. (Hodgson y
Ponnamperuma, 1968).
La energía producida por el impacto de cuerpos celestes sobre la superficie del
planeta ha tenido importancia en la síntesis de aminoácidos y ácidos carboxílicos
(Negrón-Mendoza et al., 1995).
En cuanto a la energía térmica, se cree que su eficiencia pudo haber sido baja,
debido a la necesidad de enfriar de manera rápida los ambientes en los que esta
fuente haya intervenido (Hart, 1978).

v. Fuentes naturales de radiación ionizante.

La radiactividad natural tiene su origen a partir de radionúclidos primordiales y sus
productos. Estos están distribuidos en suelos, rocas y en la hidrosfera. Violentos
procesos nucleares en las estrellas fueron los responsables de la creación de los
mismos y fueron incorporados a la Tierra hace aproximadamente 4500 millones de
años.

Desde su formación, nuestro planeta ha estado permanentemente expuesto a
radiación ionizante de origen terrestre y extraterrestre. Las fuentes de radiación
ionizante consisten principalmente en la energía emitida durante el decaimiento de
diversos radionúclidos tales como 40K, 232Th,235U. De hecho, se calcula que la
energía radioactiva en la Tierra primitiva era 3 o 4 veces mayor, que la que se puede
registrar hoy en día. A través del decaimiento radiactivo es posible inferir la
presencia de los grandes niveles de radiación en el pasado.
Nucleídos radiactivos como el 40K están distribuidos en la corteza terrestre
especialmente en rocas, arcillas y en los océanos. Las fuentes extraterrestres son
las originadas principalmente por rayos cósmicos. (Tabla 2.)

Tabla 2. Fuentes radiactivas de origen Terrestre. (Tomada de Draganic¨ et.al. 1991)
Fuente Radioactiva
Tiempo de vida
media / Comentario
Abundancia isotópica
relativa en T. Primitiva (4.6
x109 años)
40K 1.28 x109 0.145
232Th 1.39 x109
235U 0.71 x109 25.990
238 U 4.5 x109 74.020
244 Pu 4.5 x109
Reactores Nucleares
Naturales 1
(Fuente Probable)
Los mismos radioelementos y radiaciones que en
los reactores artificiales
Elementos superpesados
con Z= 114
(Fuente Posible)
Tiempo de vida media alrededor de 108 – 109

Finalmente es sumamente importante mencionar que la interacción entre la
radiación de alta energía con la materia produce estados excitados y ionización. En

etapas subsecuentes hay degradación, así como almacenamiento y transferencia
de energía dentro de superficies sólidas. Por lo que su estudio y consideración
dentro de la química prebiótica es de vital importancia. Esta importancia radica en
la alta eficiencia propia de la radiación ionizante para la síntesis de compuestos
orgánicos (Draganić et al., 1991).

f. Arcillas.

Generalidades e importancia en el contexto de evolución química.
En un sentido amplio, una arcilla es cualquier material microcristalino compuesto de
pequeñas partículas en forma de placas, que van en un intervalo desde algunos
micrones2 hasta cientos de micrones de diámetro, dichas placas están a su vez
formando una extensa capa. La estructura cristalina de cada unidad de la capa
consiste en hojas tetraédricascoordinadas de silicio SiO44- en combinación con
hojas octaédricas de Aluminio o Magnesio (Swartzen-Allen y Matijevic, 1974).
La mayoría de ellas son productos de síntesis, así como también de degradación.
Su formación es principalmente un re ensamblaje de unidades derivadas de erosión
de rocas.
Al igual que muchas otras variables propuestas en los escenarios geológicos de la
Tierra primitiva, el papel de las arcillas minerales sigue siendo discutido en cuanto
al rol que hayan podido desempeñar. Aunque actualmente los resultados
experimentales relacionados con las mismas ofrecen conclusiones objetivas dentro
del laboratorio en cuanto a los efectos que las arcillas pueden traer consigo a
consecuencia de su interacción con la materia.
El estudio teórico y experimental de los escenarios geológicos referidos a Tierra
primitiva han llevado a proponer de manera casi necesaria la inclusión de superficies
solidas dentro del panorama prebiótico, puesto que son importantes para favorecer
reacciones químicas mediante diferentes mecanismos. En el caso particular de los
minerales arcillosos, son consideradas como posibles reactores químicos en

síntesis prebiótica, aunque aún quedan muchas preguntas por resolver asociadas
a esto (Negrón y Bernal 1993).
Entre las superficies más importantes están los silicatos, carbonatos, sulfatos y en
particular, las arcillas (Lahav y Chang, 1982), indispensables para la organización
de biomoléculas, que posteriormente formarían sistemas moleculares más
complejos.
Por su parte, la interacción de moléculas orgánicas con arcillas minerales ha sido
abordada por diferentes grupos de estudio, con diferentes propósitos. (Billingham et
al., 1996). 1
Las arcillas son minerales ubicuos sobre la Tierra y es muy probable que su
formación haya tenido lugar en etapas muy tempranas sobre nuestro planeta.
Análisis sobre el sedimento de Isua1, mostró arcillas metamórficas de al menos 3.8
x109 años de antigüedad (Moorbath, 1995).
Mientras que diversas arcillas se formaron probablemente sobre los continentes en
el Arqueano, el área más grande de formación de arcillas pudo haber sido el fondo
del mar. Por su parte, el trazado geológico de las esmectitas data de 3000 a 4000
millones de años (Odin y Fullagar, 1988).
En un artículo publicado por J.D. Bernal en 1949, el autor destaca el posible rol de
las arcillas minerales en la síntesis prebiótica y les atribuye las siguientes funciones:
- Concentran materia orgánica diluida en el océano.
- Catalizan polimerizaciones a partir del material adsorbido
- Protegen frente a luz ultravioleta o cualquier otra fuente energética.

1 Isua, cinturón rocoso ubicado al oeste de Groenlandia. Sus investigaciones han llegado a
publicaciones en Nature relacionadas a los fósiles más antiguos encontrados.

i. Estructura general

Las pequeñas unidades moleculares de ácido silícico [Si(OH)4] y cationes metálicos
hidratados [M(H2O)nm+], son los constituyentes básicos de la mayoría de las arcillas,
estos son producidos en soluciones diluidas debido a la erosión de materiales de
amplio contenido en aluminosilicatos, que se regeneran así mismos a través del
proceso geológico. El proceso de formación de arcillas es muy lento, pero las
cantidades producidas son muy grandes.
Las hojas tetraédricas son el resultado de la unión entre esquina y esquina con iones
de oxígeno, un arreglo que es óptimo para el apantallamiento de la carga positiva
producida por los iones Si4+ en los centros del tetraedro. (Fig.3)
La hoja octaédrica se construye a través de la unión entre bordes de cada capa, lo
que ocasiona que los cationes metálicos estén más próximos unos de otros, frente
al caso de la hoja tetraédrica. (Fig.4).

Fig.3.: a) Tetraedro de Sílice; b) Hoja tetraédrica de sílice; c) Esquema extendido de la hoja
tetraédrica. Tomado de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx

Fig. 4. Octaedro y Capa Octaédrica. Tomado de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx
Los estudios electrocinéticos de las arcillas muestran que a valores de pH cercanos
a 2, las partículas llevan una carga neta negativa en el espacio entre cada capa de
sílice, llamado espacio interlaminar. El origen de la carga negativa se debe a
diversos factores: sustitución isomórfica, imperfecciones en la red, ruptura de
enlaces y la exposición de grupos estructurales hidroxilo. La distancia del espacio
interlaminar depende de la cantidad de agua o del material orgánico intercalado.
Esta carga negativa es compensada con la presencia de contraiones positivos, los
más abundantes son Na+, K+ y Ca2+. (Jogun y Zukoski, 1999).
Existen tres unidades estructurales más comunes para la clasificación de arcillas
minerales: Arcilla tipo 1:1, T-T. Arcilla tipo 1:1, T-O y Arcilla tipo 2:1, T-O-T. (Fig. 5,6
y 7)

Fig. 5. Arcilla Tipo 1:1, T-T. Tomado de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx

Fig. 6. Arcilla Tipo 1:1, T-O. Tomado de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx

Fig.7 Arcilla Tipo 2:1, T-O- T. Tomado de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx

ii. Fenómeno de adsorción sobre arcillas minerales

Adsorción es el proceso a través del cual ocurre una acumulación neta de una
substancia en el límite común que existe entre dos fases contiguas.

El mecanismo de adsorción de moléculas orgánicas con arcilla es un fenómeno
complejo, donde diferentes procesos pueden tener lugar: puentes de hidrogeno, ion-
dipolo o fuerzas de van de Walls. Pueden también ocurrir procesos de formación de
complejos con los contraiones de la arcilla o simplemente efectuarse un intercambio
catiónico (Swartzen-Allen y Matijevic, 1974).
Debido al exceso de carga en la superficie de las arcillas, estas actúan como
intercambiadores iónicos naturales y promueven la adsorción. La adsorción
depende de: la concentración inicial en equilibrio con el sorbato, la naturaleza de la
molécula y su forma, pH de la solución, el metal en el sitio de intercambio,
fenómenos de coadsorciòn, tipo de arcilla, metales asociados y la cantidad de
moléculas de agua (Negrón-Mendoza y Albarrán, 1993).
La adsorción de una variedad de compuestos como aminoácidos, bases
nitrogenadas y sus derivados, ácidos carboxílicos y azúcares han sido materia de
muchos estudios (Theng, 1974).
El mecanismo principal para la adsorción en arcillas obedece al intercambio iónico,
aunque las interacciones ion-dipolo y puentes de hidrogeno también toman lugar en
el proceso. La adsorción de bases nitrogenadas y sus derivados en arcillas
minerales han sido estudiadas ampliamente. Algunas observaciones generales para
las bases nitrogenadas y sus derivados son:
- La adsorción es dependiente del pH
- La adsorción es mayor a pH ácido y decrecen considerablemente a pH por
encima de 6.
- Las purinas se adsorben más que las pirimidinas
- Los nucleósidos se adsorben en menor cantidad que sus respectivas bases-
- Las bases son mayormente adsorbidas en el espacio interlaminar.
(Negrón-Mendoza et al., 1996)

iii. Montmorillonita

La Montmorillonita es una arcilla perteneciente al grupo de las esmécticas, tipo 2:1
T-O-T. La cual consiste en 2 hojas tetraédricas sobre una octaédrica, asemejando
un sándwich. (Fig.8)
Tabla 3. Composición química de la
montmorillonita

La Montmorillonita de sodio es la arcilla más común, debido a que la concentración
de este ion en los océanos es superior frente a otros. En términos generales esta
arcilla, puede actuar como una matriz de intercambio catiónico, debido a la
sustitución de los iones que se encuentran en el espaciointerlaminar. El
hinchamiento producido en estas arcillas se debe a la entrada de agua en el espacio
interlaminar (Rao y Jessup, 1983).
Cabe destacar que no sólo puede entrar agua o diversos iones al espacio
interlaminar, moléculas orgánicas o polares pueden encontrar cabida, dependiendo
de sus características fisicoquímicas, por lo que esta arcilla en algunos casos es
también una matriz de adsorción de moléculas orgánicas, a través de interacciones
ion-dipolo, puentes de hidrógeno y fuerzas de van der Walls (Prego et al., 2009).
Componente Peso (%)
SiO2 49.40
Al2O3 19.70
MgO 0.27
CaO 1.50
Fe2O3 0.30
Na2O 1.50
H2O 25.67
Fig.8 Estructura de Montmorillonita. A pH menor a 8 el canal interlaminar posee carga negativa, mientras
que las orillas de la estructura poseen carga positiva.

Tabla 4. Composición química de atapulgita
En la actualidad el uso de montmorillonita ya sea de sodio o de calcio, es
ampliamente usada en diferentes actividades industriales, que van desde
farmacéuticos hasta agrícolas. Por ejemplo, en agricultura se emplea para la
purificación de suelos, a través de la adsorción de pesticidas.
iv. Atapulgita
Las atapulgitas forman parte de un grupo de minerales denominado Paligorsquitas;
particularmente frecuentes en sedimentos acumulados en lagos secos, zonas
desérticas y sedimentos de origen marino sometidos a intenso lavado o que
sufrieron alteración hidrotermal.
Son silicatos cristalinos hidratados de aluminio y magnesio con una estructura única
en forma de cadena, que le confiere excelentes propiedades coloidales y de
adsorción. La estructura general forma una pared de canales, donde cada ladrillo
contiguo está perdido. Esta arcilla no puede hincharse debido a sus cadenas
tridimensionales y forma estructuras de aguja. Posee un área superficial de
167m2/g, lo que la hace altamente adsortiva (El-Mofty et al., 2008).

Fig. 9 Estructura de Atapulgita. Modificado de
https://pubs.usgs.gov
Componente A (%) B (%)
SiO2 53.64 55.03
TiO2 0.60 n.d.
Al2O3 8.76 10.24
Fe2O3 3.36 3.53
FeO 0.23 n.d.
MnO 0.03 n.d.
MgO 9.05 10.49
CaO 2.02 -
Na2O 0.83 n.d.
K2O 0.75 0.47
P2O5 0.79 n.d.
H2O + 10.89 10.13
H2O - 9.12 9.73
A: Análisis por De Lapparent (1935)
B: Análisis por W.F. Bradley (1938)

Se considera que, dentro de la estructura de esta arcilla, existen moléculas de
agua alojadas en los canales, constituyendo agua zeolìtica3, agua de
cristalización4 coordinada alrededor de los iones aluminio o magnesio de la capa
octaédrica y grupos OH pertenecientes a la red del silicato (Álvarez-Estrada y
Conde, 1967) (Fig. 9)
La estructura de la arcilla, su naturaleza como intercambiador de cationes y la
presencia de otros elementos, son factores importantes que afectan la interacción,
molécula orgánica- arcilla. En general, las superficies de las arcillas con una alta
carga en su superficie resultan ser excelentes sitios de interacción con moléculas
orgánicas. La exposición de grupos OH-, en la superficie de las fibras de atapulgita,
pueden cumplir con este propósito (Yuan et al., 2008).

Su estudio en lo que se refiere a evolución química, radica en la posible presencia
arcillas de este tipo en ambientes hidrotermales, que pudieron ser comunes en el
Arqueano (Fowler and Tunnicliffe, 1997).
v. Hectorita

Es la esmectita trioctaédrica que se caracteriza por contar con un soporte de litio,
debido a que contiene a este ion y al Mg como cationes principales en la capa
octaédrica. Esta arcilla ha sido estudiada por varios investigadores por su contenido
mayor al 1.0 % en Li2O (Ross y Hendricks, 1945).
No se ha determinado un porcentaje mínimo de contenido de litio para denominarla
como hectorita (April, 1981).
Se consideran dos posibles vías de síntesis natural de esta arcilla: (1) alteración
hidrotermal y (2) precipitación en depósitos lacustres con altos contenidos alcalinos.
Ames et al., (1958), sugieren que la hectorita se formó en las últimas etapas de
actividad hidrotermal con alto contenido de flúor y litio. (Shawe, et al., 1964),
publicaron el estudio de una montorillonita rica en litio, en zonas hidrotermales

afectadas por ceniza volcánica. El origen de esta arcilla no se ha determinado
concretamente, aunque es posible que haya sido formada principalmente en sitios
afectados por ceniza volcánica.

Fig. 10 Estructura T-O- T, Hectorita, mismo arreglo que la Montmorillonita,
pero con sustitución de Li por Mg. http://www.pubstemcell.com

A pesar de tener un comportamiento típico de esmectitas, la adsorción de diferentes
cationes, entre la hectorita y la montmorillonita es muy diferente (Stucki, 1996).
La estabilidad de esta arcilla en medio acido es baja, a pH=1 se puede llegar a
colapsar su estructura (Balkus y Shi, 1996).
Las propuestas que se han planteado acerca de la síntesis natural de esta arcilla la
hacen de interés en el campo de química prebiótica, al estar ligada a sistemas
hidrotermales que hayan podido estar en contacto con materiales desprendidos de
erupciones volcánicas, que además de ser una fuente de energía, pudieron haber
Tabla 5. Composición química de Hectorita
Compuesto Peso (%)
SiO2 54.28
Al2O3 0.68
Fe2O3 0.10
FeO ---
CaO 0.50
MgO 25.25
Na2O 3.19
K2O 0.16
Li2O 1.02
CO2 ---
SO3 ---
TiO2 ---
H2O 14.56

sido también una fuente de materia prima para la síntesis de diversas superficies
sólidas, como lo son las arcillas.
g. Bases nitrogenadas y nucleósidos

Una base nitrogenada es una molécula orgánica que contiene nitrógeno y que actúa
como una base en reacciones químicas. Las propiedades básicas derivan del par
de electrones libres del átomo o átomos de nitrógeno que posee.
Las bases nitrogenadas son también llamadas nucleobases, debido a que actúan
como bloques estructurales de los ácidos nucleicos (DNA) y (RNA). Existen dos
grupos principales de bases nitrogenadas de interés biológico: purinas y pirimidinas.
Ambos grupos se asemejan a la piridina y son moléculas planas y no polares.
i. Purinas y pirimidinas

Los compuestos originarios de las dos clases de bases nitrogenadas halladas en
los nucleótidos son los compuestos heterocíclicos pirimidina y purina, que poseen
carácter aromático. La propia purina puede considerarse como un derivado de la
pirimidina; está constituida por un anillo de pirimidina y otro imidazol condensados.
Las bases nitrogenadas principales que se encuentran en los nucleótidos son tres
derivados de la pirimidina: el uracilo, la timina y la citosina, y dos derivados de la
purina, la adenina y la guanina. Es importante señalar que la xantina, molécula
principal de este trabajo experimental, es incluida en este último grupo de bases
(púricas) (Fig. 11).
Las pirimidinas son moléculas planares; las purinas son casi planares, con un
fruncido muy ligero. Los grupos funcionales importantes que intervienen en la
formación de los enlaces de hidrogeno son los grupos amino de la adenina, la
guanina y la citosina, los grupos –NH- del anillo en la posición 1 de la adenina y de
la guanina y la posición 3 de las bases de pirimidina, así como los átomos de
oxigeno fuertemente electronegativos que están situados en la posición 2 de las
pirimidinas y en la posición 6 de la guanina.

Las bases pirimidínicasy púricas libres son relativamente insolubles en agua. Son
compuestos básicos débiles que pueden existir en dos o más formas tautoméricas
según su pH.

Fig. 11 Bases Nitrogenadas: Púricas y Pirimidínicas.
Muchos han sido los procedimientos experimentales realizados bajo condiciones
simuladas en la Tierra primitiva que han rendido aminoácidos, bases púricas y
pirimidínicas, azúcares y muchos otros compuestos orgánicos, a partir de
precursores inorgánicos tales como los que debieron de haber estado presentes en
el entorno primitivo, operando bajo la activación de diversas fuentes de energía (Fig.
12).

Fig. 12 Síntesis de adenina con un rendimiento de 0.5%. (Tomado de Status of the Prebiotic
Synthesis of Small Molecules, (Miller 1986)
https://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiuxtPBxMjVAhXL4yYKHZWjBP0QjRwIBw&url=http://carmenced.blogspot.com/&psig=AFQjCNE2bsLRubgVul6gDf23Fl1FAlXQXQ&ust=1502312518879119

En la mayoría de las reacciones químicas que conducen a la formación abiótica de
compuestos orgánicos nitrogenados sencillos, el cianuro de hidrógeno tiene suma
importancia, además de que se forma fácilmente mediante las siguientes
reacciones:
2𝐶𝐻4 + 𝑁2 → 2𝐻𝐶𝑁 + 3𝐻2
𝐶𝑂 + 𝑁𝐻3 → 𝐻𝐶𝑁 + 𝐻2𝑂

Como mencionamos anteriormente, estas reacciones son favorecidas mediante la
temperatura(volcanes), fuentes de radiación (UV y radiación solar) o descargas
eléctricas (relámpagos). Bajo condiciones simuladas, el cianuro de hidrogeno es un
precursor de compuestos altamente reactivos, tales como el cianoacetileno, la
cianamida y los nitrilos. Estos son a su vez precursores de una variedad de
aminoácidos y bases nitrogenadas (Fig. 13).

Fig. 13 Evolución química de biomoléculas a partir del HCN. (Nelson et al., 2008)
ii. Nucleósidos.

Son moléculas orgánicas monoméricas que resultan de la unión covalente entre una
base heterocíclica con una pentosa (Fig. 14).
Existen dos series de nucleósidos: los ribonucleósidos, que contienen D-ribosa
como componente glucídico (A), y los desoxirribonucleòsidos, que contienen 2-
desoxi-D-ribosa(B). Los nucleósidos son mucho más solubles en agua que las
bases libres. Al igual que los glucósidos, los nucleósidos son relativamente estables
frente a los álcalis. Los nucleósidos purínicos se hidrolizan con cierta facilidad con
los ácidos para liberar la pentosa y la base libre. Sin embargo, los nucleósidos
pirimidinicos son resistentes frente a hidrolisis ácida. (Michelson, 1963).

Estas moléculas al combinarse con un grupo fosfórico producen nucleótidos que
son los componentes moleculares básicos de las cadenas de ADN y ARN, que son
de vital interés en los estudios de evolución química y surgimiento de la vida.

Fig. 14 Nucleósidos. Unión mediante enlace N-glucosídico, entre C1 de la pentosa y un nitrógeno
de la base. (N1 pirimidínicas, N9 purínicas), con la perdida de una molécula de agua.
El nucleósido xantosina, molécula estudiada a lo largo de este trabajo experimental,
pertenece al grupo de ribonucleosidos y si bien es cierto que no forma parte de las
moléculas estructurales del DNA o del RNA, al igual que la Xantina es un
intermediario importante en el metabolismo de bases púricas.
Diversas vías bioquímicas de degradación de bases nitrogenadas como la guanina
conducen a la formación de xantina, antes de dar paso a la formación de metabolitos
más simples.
La síntesis abiótica de nucleósidos en escenarios prebióticos ha sido complicada en
los últimos años, pero ha sido posible. Orgel y colaboradores lograron la síntesis de
adenosina, mediante el calentamiento y la desecación de la base nitrogenada y la
ribosa, en presencia de sales divalentes, aunque con un rendimiento bajo. (Collins,
2005).

III. Objetivos

a. General

Estudiar la posible capacidad protectora ofrecida por arcillas minerales de interés
en química prebiótica a moléculas orgánicas previamente adsorbidas y son
expuestas a diferentes dosis de radiación ionizante.

Particulares
. Determinar las condiciones de adsorción-desorción de xantina y xantosina en tres
diferentes arcillas minerales: atapulgita, hectorita y montmorillonita de sodio.
. Cuantificar porcentajes de adsorción de molécula orgánica-arcilla, por medio de
espectrofotometría UV y cromatografía de líquidos de alta resolución.
. Comparar los efectos producidos por la radiación ionizante en las moléculas bajo
estudio, en ausencia y en presencia de superficies minerales.
. Expresar porcentajes de recuperación de moléculas orgánicas adsorbidas, tras ser
expuestas a radiación ionizante.
. Emplear espectrofotometría de infrarrojo para determinar si este método es
eficiente para evidenciar el fenómeno de adsorción, así como también para seguir
los posibles cambios generados en la estructura de las arcillas minerales, después
de su exposición a radiación ionizante.

IV. Procedimiento experimental
Una vez asignadas las moléculas orgánicas, así como las arcillas minerales para
evaluar, se inició el trabajo experimental; dividido en dos fases: α y β.
α. Condiciones de adsorción y desorción.
Durante el proceso se establecen: los pH de adsorción y desorción, tiempos de
agitación de suspensiones (arcilla y disolución), tiempo de centrifugación, definición
de condiciones de análisis en HPLC, concentraciones de disoluciones y cantidades
de arcilla.
β. Pruebas de irradiación. Exposición de arcillas cargadas secas (botones y polvos),
suspensiones y blancos, a diferentes dosis de radiación ionizante. Posterior a la
exposición se realiza el análisis de las muestras por HPLC y FTIR (solidos).
Al finalizar esta etapa se tendrá una aproximación objetiva acerca de la capacidad
protectora ofrecida por las arcillas sobre nuestras moléculas orgánicas.
a. Fase α

Búsqueda bibliográfica acerca de los factores que
pueden favorecer el fenómeno de adsorción de
nuestras moléculas orgánicas en las arcillas
minerales. (Punto de partida).
Establecido un pH de trabajo para las
disoluciones se procede a definir λmax de
xantina y xantosina por espectro UV -Vis
Determinación de pH de trabajo
Realización de Curvas de Calibración UV – Vis y HPLC
λmax útil para lecturas directas en UV – Vis y para
establecer condiciones de lectura en HPLC
Realización de Pruebas de Adsorción - Desorción
Definición de los intervalos de concentración de las
disoluciones, basadas en los mínimos de detección y
saturación de señal en los equipos.
• Tiempos de 1, 5, 15, y 40 min de agitación,
• Lecturas de sobrenadantes por UV – Vis y HPLC,
• Definición de pH de desorción.
Una vez establecidos los % de Adsorción de
xantina y xantosina en las tres arcillas, se
comienzan las pruebas de irradiación.

Botón: se refiere al producto sólido obtenido al finalizar la centrifugación de un tubo que
contiene arcilla y disolución de xantina o xantosina. Este material sólido es posteriormente
sometido a secado. Y se dice que está “cargado”, puesto que ha adsorbido cierta
concentración de moléculas orgánicas.
Polvo: en algunas muestras, el botón anterior fue molido físicamente hasta obtener un polvo
fino.
b. Fase β

Tipos de muestras:

Corresponde a arcillas
cargadas y secas. Algunas
permanecen como botones
después de centrifugar y
otras se trituran hasta
obtener un polvo fino.
Corresponde a suspensiones
acuosas (arcilla- disolución
de xantina o xantosina) en
jeringas de vidrio. Se
burbujeo argón en cada
jeringa para desplazar el
oxígeno.
Disoluciones de xantina y
xantosina (blancos sin
arcilla)
Botón Polvo
Dosis Irradiación:
135, 68, 34 y 17 KGy

Análisis