Key innovation：疫情大爆发后，为什么新毒株出现的可能性很高？

引言

奥密克戎变种很可能在极端环境中发生“关键创新”，形成新的变种，从而进一步扩大其分布区。

进化生物学种的关键创新（key innovation）

在进化生物学中，关键创新（key innovation），也称为适应性突破（adaptive breakthrough）或关键适应（key adaptation），是指某一生物类群在新的环境下，进化出的一种新的（表型）特征，而这个新的特征使得该类群在随后的进化中大量分化，成功扩大其分布区。

作为植物学家和进化生物学家，笔者第一次接触到“关键创新”，还是在笔者在美因茨（Mainz）读博士的时候。笔者有个德国同学，叫Bernhard，他的博士论文的类群之一是龙胆科的花锚属（Halenia）的进化。他用四个基因的DNA序列重建花锚属的进化关系。他发现，东亚起源的花锚属，在通过北美和东亚间的白令陆桥（Bering Land Bridge）到达北美和中美洲之后，它们的花上进化出一种含蜜糖的漏斗状的距（spur）；这种含蜜糖的距（nectar spur）成功吸引到大量的昆虫授粉者，当花锚属植物分布到中美和南美洲之后，新的生境，加上竞争者不多，使得花锚属在中、南美洲大量进化出新的物种。这种含蜜糖的距在进化生物学中就是 “关键创新”的例子。Bernhard的发现在当时的植物进化中也算是挺有趣的发现，他的论文发表在2003年进化生物学的旗舰杂志“Evolution”上。 我们能看出，“关键创新”的两个重要条件：大的变异、新的环境。

人类的进化也经历了至少4次“关键创新”：从树上走下到陆地生存、直立行走、大脑的快速发育、文明的出现。

进化生物学中的“关键创新”理论，是否可以用来解释新冠病毒的进化？答案是肯定的，尽管病毒不是严格意义上的生物（参考笔者的“你的生物学知识需要更新？生物分类的三域六界系统”）。

新冠病毒怎么变异和进化？

新冠病毒是一种冠状病毒coronavirus，是单链的RNA病毒，在复制中会出错，不像双链的DNA病毒，有非常强的纠错机制。然而，大多数冠状病毒通常不会发生大的变异或变异比较慢，因为冠状病毒具有基本的“校对酶（proofreading enzyme）”，负责复制中的纠错工作。这样，冠状病毒估计在一百万或更多次复制中，其RNA会发生一个错误。新冠病毒大约有2万9千800个核苷酸。这样的出错率其实并不算高。但实际观察的新冠的变异速率，比这高很多。什么原因呢？南加大的Xiaojiang Chen教授和他的团队2022年9月发表的论文表明，新冠病毒能够绕过校对酶：它会劫持人体细胞内通常抵御病毒感染的酶，利用人体这些酶来改变其基因组从而产生变异。这个最新的研究表明，新冠非常狡猾！难怪新冠变异很快！

德尔塔（Delta）变种是怎么进化来的？

我们来看看对全世界各地造成严重破坏的德尔塔（Delta）变种是怎么进化的。这个问题，在科学上还有争议。有一种流行的共识是这样的：2021年10月，在印度的某个地方，一个可能免疫功能低下、可能服用类风湿性关节炎药物或可能患有艾滋病晚期的病人感染了新冠。这样或类似的身体，为新冠提供了全新的环境。

他（或者她）的症状可能是轻微的，但由于他的身体无法清除新冠病毒，病毒在他的体内繁殖开来。当病毒复制并从一个细胞感染到另一个细胞时，病毒的部分遗传物质出现错误的复制，造成较大的变异（“关键创新”）。最终造成全世界的灾难。

奥密克戎在中国的大爆发，给病毒变异提供了大量的新的环境

清零政策取消以来（世卫认为在之前就开始），奥密克戎变种在国内大爆发。短短20天，据说就有超过2亿人感染。科学家根据当初香港的数据做模型研究预测，这个冬天国内可能会有7至8亿人感染。的确，我在美国认识的朋友的所有国内亲友几乎都阳了。这么多人带毒，给新冠的变异和进化提供前所未有的大量的环境。理论上讲，每个感染的人，就提供了新冠一个新的环境，一个变异的机会。

国外也有数亿人甚至更多的人感染过奥密克戎病毒，迄今尚未出现显著的新的新冠变种！国内感染的病人提供给新冠变异的环境，跟国外病人提供的环境有什么不同？第一，国内经历了近3年的严格的清零，大多数人体内的免疫系统从未接触过新冠，而最近的模型研究表明，2022年10月17号为止，美国人95%感染过新冠；第二，国内打的全是灭活疫苗，与国外、特别是西方国家打的mRNA疫苗不同，两种疫苗激发的抗体量大不相同；第三，国内大多数朋友打前一针疫苗已经很久了，体内几乎没有新冠抗体了；第四，国内抗生素和有些有毒中成药（比如清瘟胶囊）的大量滥用。

由于感染的人数庞大，这些新环境中存在极端环境（比如免疫缺陷、各种疾病史、各种用药历史）的绝对数量巨大。这样的极端环境，给奥密克戎的极端变异提供了大量的场所。奥密克戎会进化出相当于花锚属植物花上的距那样的“关键创新”，帮助病毒在新的环境中大量分化，形成大量的新的毒株；这些新毒株中的某些变种，很可能成功扩大分布区，感染更多地方，成为新的主流毒株。

新冠病毒哪些位点上的变异更危险？

刺突蛋白上的变异一直被认为最重要。但最新的研究表明，虽然刺突蛋白非常重要，但称为核衣壳蛋白（nucleocapsid protein）的病毒的另一部分也很重要，它是包裹病毒RNA基因组的“外衣”的主要构成部分。这两个区域很可能协同工作。如果刺突蛋白有突变而核衣壳蛋白没有任何变异的变种，与两个蛋白都有突变的变种比较，它们的表现可能非常不同。不同的突变协同工作，被称为异位显性（epistasis）。有研究表明，不同位置的一小群突变可能共同起作用，帮助病毒逃逸抗体，从而降低疫苗的有效性。任何变异，都有可能对人类产生严重的后果。

病毒复制时就可能产生变异。因此，阻止未来变异的最佳方法，是严格限制世界上正在发生的病毒复制量。看国内感染新冠的最近情况，形势很严峻！

从德尔塔进化到奥密克戎，新冠的毒性减弱不小，而传染力增加了不少。未来变异是否也是朝着这个方向？很难说！从之前的变种到德尔塔变种的进化，新冠变异就巨大地增加了毒性。

结论

跟别的生物类群一样，新冠在（极端）新环境下很可能会进化出一些特殊的结构（“关键创新”），形成新的变种；这样的结构很可能使得新的新冠变种能大量扩大分布区。在2021年10月在印度大流行时，新冠进化出了德尔塔变种；在2021年11月在南非和博茨瓦纳大流行时，新冠进化出了奥密克戎变种。新冠如今在中国大陆流行时，它进化出另一种可怕的新变种的可能性很高。

作者简介：植物学家、进化生物学家，业余写些游记、散文、科普和时评。四川雅安市石棉县人，兰州大学学士，中科院成都生物所硕士，德国美因茨（Mainz）大学博士，密苏里植物园资深研究员