Key innovation：疫情大爆發後，為什麽新毒株出現的可能性很高？

引言

奧密克戎變種很可能在極端環境中發生“關鍵創新”，形成新的變種，從而進一步擴大其分布區。

進化生物學種的關鍵創新（key innovation）

在進化生物學中，關鍵創新（key innovation），也稱為適應性突破（adaptive breakthrough）或關鍵適應（key adaptation），是指某一生物類群在新的環境下，進化出的一種新的（表型）特征，而這個新的特征使得該類群在隨後的進化中大量分化，成功擴大其分布區。

作為植物學家和進化生物學家，筆者第一次接觸到“關鍵創新”，還是在筆者在美因茨（Mainz）讀博士的時候。筆者有個德國同學，叫Bernhard，他的博士論文的類群之一是龍膽科的花錨屬（Halenia）的進化。他用四個基因的DNA序列重建花錨屬的進化關係。他發現，東亞起源的花錨屬，在通過北美和東亞間的白令陸橋（Bering Land Bridge）到達北美和中美洲之後，它們的花上進化出一種含蜜糖的漏鬥狀的距（spur）；這種含蜜糖的距（nectar spur）成功吸引到大量的昆蟲授粉者，當花錨屬植物分布到中美和南美洲之後，新的生境，加上競爭者不多，使得花錨屬在中、南美洲大量進化出新的物種。這種含蜜糖的距在進化生物學中就是 “關鍵創新”的例子。Bernhard的發現在當時的植物進化中也算是挺有趣的發現，他的論文發表在2003年進化生物學的旗艦雜誌“Evolution”上。 我們能看出，“關鍵創新”的兩個重要條件：大的變異、新的環境。

人類的進化也經曆了至少4次“關鍵創新”：從樹上走下到陸地生存、直立行走、大腦的快速發育、文明的出現。

進化生物學中的“關鍵創新”理論，是否可以用來解釋新冠病毒的進化？答案是肯定的，盡管病毒不是嚴格意義上的生物（參考筆者的“你的生物學知識需要更新？生物分類的三域六界係統”）。

新冠病毒怎麽變異和進化？

新冠病毒是一種冠狀病毒coronavirus，是單鏈的RNA病毒，在複製中會出錯，不像雙鏈的DNA病毒，有非常強的糾錯機製。然而，大多數冠狀病毒通常不會發生大的變異或變異比較慢，因為冠狀病毒具有基本的“校對酶（proofreading enzyme）”，負責複製中的糾錯工作。這樣，冠狀病毒估計在一百萬或更多次複製中，其RNA會發生一個錯誤。新冠病毒大約有2萬9千800個核苷酸。這樣的出錯率其實並不算高。但實際觀察的新冠的變異速率，比這高很多。什麽原因呢？南加大的Xiaojiang Chen教授和他的團隊2022年9月發表的論文表明，新冠病毒能夠繞過校對酶：它會劫持人體細胞內通常抵禦病毒感染的酶，利用人體這些酶來改變其基因組從而產生變異。這個最新的研究表明，新冠非常狡猾！難怪新冠變異很快！

德爾塔（Delta）變種是怎麽進化來的？

我們來看看對全世界各地造成嚴重破壞的德爾塔（Delta）變種是怎麽進化的。這個問題，在科學上還有爭議。有一種流行的共識是這樣的：2021年10月，在印度的某個地方，一個可能免疫功能低下、可能服用類風濕性關節炎藥物或可能患有艾滋病晚期的病人感染了新冠。這樣或類似的身體，為新冠提供了全新的環境。

他（或者她）的症狀可能是輕微的，但由於他的身體無法清除新冠病毒，病毒在他的體內繁殖開來。當病毒複製並從一個細胞感染到另一個細胞時，病毒的部分遺傳物質出現錯誤的複製，造成較大的變異（“關鍵創新”）。最終造成全世界的災難。

奧密克戎在中國的大爆發，給病毒變異提供了大量的新的環境

清零政策取消以來（世衛認為在之前就開始），奧密克戎變種在國內大爆發。短短20天，據說就有超過2億人感染。科學家根據當初香港的數據做模型研究預測，這個冬天國內可能會有7至8億人感染。的確，我在美國認識的朋友的所有國內親友幾乎都陽了。這麽多人帶毒，給新冠的變異和進化提供前所未有的大量的環境。理論上講，每個感染的人，就提供了新冠一個新的環境，一個變異的機會。

國外也有數億人甚至更多的人感染過奧密克戎病毒，迄今尚未出現顯著的新的新冠變種！國內感染的病人提供給新冠變異的環境，跟國外病人提供的環境有什麽不同？第一，國內經曆了近3年的嚴格的清零，大多數人體內的免疫係統從未接觸過新冠，而最近的模型研究表明，2022年10月17號為止，美國人95%感染過新冠；第二，國內打的全是滅活疫苗，與國外、特別是西方國家打的mRNA疫苗不同，兩種疫苗激發的抗體量大不相同；第三，國內大多數朋友打前一針疫苗已經很久了，體內幾乎沒有新冠抗體了；第四，國內抗生素和有些有毒中成藥（比如清瘟膠囊）的大量濫用。

由於感染的人數龐大，這些新環境中存在極端環境（比如免疫缺陷、各種疾病史、各種用藥曆史）的絕對數量巨大。這樣的極端環境，給奧密克戎的極端變異提供了大量的場所。奧密克戎會進化出相當於花錨屬植物花上的距那樣的“關鍵創新”，幫助病毒在新的環境中大量分化，形成大量的新的毒株；這些新毒株中的某些變種，很可能成功擴大分布區，感染更多地方，成為新的主流毒株。

新冠病毒哪些位點上的變異更危險？

刺突蛋白上的變異一直被認為最重要。但最新的研究表明，雖然刺突蛋白非常重要，但稱為核衣殼蛋白（nucleocapsid protein）的病毒的另一部分也很重要，它是包裹病毒RNA基因組的“外衣”的主要構成部分。這兩個區域很可能協同工作。如果刺突蛋白有突變而核衣殼蛋白沒有任何變異的變種，與兩個蛋白都有突變的變種比較，它們的表現可能非常不同。不同的突變協同工作，被稱為異位顯性（epistasis）。有研究表明，不同位置的一小群突變可能共同起作用，幫助病毒逃逸抗體，從而降低疫苗的有效性。任何變異，都有可能對人類產生嚴重的後果。

病毒複製時就可能產生變異。因此，阻止未來變異的最佳方法，是嚴格限製世界上正在發生的病毒複製量。看國內感染新冠的最近情況，形勢很嚴峻！

從德爾塔進化到奧密克戎，新冠的毒性減弱不小，而傳染力增加了不少。未來變異是否也是朝著這個方向？很難說！從之前的變種到德爾塔變種的進化，新冠變異就巨大地增加了毒性。

結論

跟別的生物類群一樣，新冠在（極端）新環境下很可能會進化出一些特殊的結構（“關鍵創新”），形成新的變種；這樣的結構很可能使得新的新冠變種能大量擴大分布區。在2021年10月在印度大流行時，新冠進化出了德爾塔變種；在2021年11月在南非和博茨瓦納大流行時，新冠進化出了奧密克戎變種。新冠如今在中國大陸流行時，它進化出另一種可怕的新變種的可能性很高。

作者簡介：植物學家、進化生物學家，業餘寫些遊記、散文、科普和時評。四川雅安市石棉縣人，蘭州大學學士，中科院成都生物所碩士，德國美因茨（Mainz）大學博士，密蘇裏植物園資深研究員