趋同进化：是否会出现比德尔塔更可怕的新冠变种？

科学家们正在探索病毒突变的趋势，以了解为什么会出现 Delta 等高传染性变种，以及接下来会发生什么。

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德尔塔（Delta）变种是怎么进化来的？

这个问题，在科学上海有争议。有一种流行的假设是这样的。去年 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。

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。也许这个人住在拥挤的家里，或者出去在繁忙的市场买食物，但无论发生在哪里，变异的病毒都会传播给其他人。专家认为，这种在一个人身上出现的奇异情况，很可能是现在在美国和世界各地造成严重破坏的德尔塔（Delta）变种的诞生方式。

在新冠大流行的过程中，已经确定了数千种变异，其中四种引起世界卫生组织的重视——阿尔法（Alpha）、贝塔（Beta）、伽马（Gamma）和德尔塔（Delta）。大量的病毒测序后，科学家们可以在GiSAID 和 CoVariants这样的网站上密切跟踪这些变种。据欧洲研究人员称，Delta 是迄今为止最具传染性的病毒——比最早传播的病毒高出约 97%的传染力。但Delta是否是世界上可能出现的最可怕变种？了解突变如何发生，可以帮助我们了解是否可能会出现更多令人担忧的变种。

研究病毒进化的生物学家已经预测到了，印度——或其他地方可能发生其他的新冠变种，尽管他们无法预测它会发生在何处、确切时间以及哪些遗传密码会在新冠病毒内部发生变异。每次病毒进入人体细胞时，它都会复制其遗传物质（基因组），以便感染其他人体其他细胞。笔者之前在“历史上20次大瘟疫的特点、新冠肺炎与气候变化”一文中曾经指出，新冠病毒是一种单链的RNA病毒（不像双链的DNA病毒具有强大的纠错功能），自我复制时容易出错而造成随机的变异，形成不同的变种。所以新冠才会有数千个变种。

大多数新冠变种要么杀死病毒自己，要么因不能传播而死亡，或者只能传播给少数人，而这些被传染的人一旦被隔离后，这些病毒变种便不能进一步传播给其他人，而走向死亡。

但是，当病毒在复制中产生足够多的突变时，也许当被感染者参加拥挤的活动，比如体育赛事或大型室内聚会（如婚礼）时，病毒就会抓住机会，疯狂地感染人群，使得本来可能灭绝的病毒变种传播开来。

新冠病毒比其他病菌更容易发生突变

生物进化的漫长历史中，“意外事件”使得复制 RNA的聚合酶比复制DNA的聚合酶更容易出错。尽管新冠不会像流感等其他 RNA 病毒那样，产生那么多的突变，因为新冠具有基本的“校对酶（proofreading enzyme）”，负责复制中的纠错工作。通常，进入患者体内并从患者体内排出的大多数新冠病毒都是相同的。对于新冠病毒，估计在一百万或更多次复制中，其RNA会发生一个错误。

但是，新冠病毒并不需要复制中出现许多错误，就可以对全世界造成严重破坏，因为新冠是通过呼吸道传染的。通过呼吸道传播的病菌比那些需要接触、性交或卫生条件差的病菌传播得更快。新冠最大的威胁是，被感染者在知道自己被感染之前，可能已经将新冠传播给了他人，而且其变种通常非常凶悍。

到目前为止，科学家们已经对超过一百万个新冠的毒株的基因组或完整的遗传物质进行了测序，他们想了解病毒的进化方式，以确定如何最好地保护人们免受它的侵害。今年早些时候，英国启动了一项350万美元的研究项目，以研究新冠突变的影响。测序在美国起步缓慢，但在2020年秋季，美国疾病控制与预防中心启动了国家新冠毒株的监测 (NS3) 计划，该计划与大学和私人实验室签订了合同，对这里传播的新冠进行测序。在该计划下，已经对数十万个毒株的基因组进行了测序。

在新冠中发现的随机突变体，只有在它们为病毒带来优势时才被归类为变种（variant）。每个变种中都有亚变种（subvariant；在Pango命名系统中，德尔塔变种被称为 B.1.617.2，后面的数字表示其子谱系，代表最普遍的国家、最早发生时间、代号）。尽管如此，新冠的整体基因组保持不变。如果新冠以一种改变其基本性质的方式发生变异，它可能会成为一个新的物种，就不叫新冠了，也许可以叫萨斯3（SARS-CoV-3；新冠是萨斯2）。

趋同进化（convergent evolution）

新冠为什么要突变？病毒突变是为了生存，例如帮助病毒增加传染性、增加毒力或逃避人体免疫包括疫苗提供的免疫。

实际上，科学家们并不太关心任何特定的突变，而是关心多个独立变种中出现的类似的突变，因为这表明它们使病毒在进化生物学上更适合生存环境。这种现象我们生物学家称为趋同进化（convergent evolution）。换句话说，趋同进化就是，远亲的生物物种独立进化出相似的特征以适应相似的需求。比较，鲸鱼和鲨鱼由于适应于海洋中生存，都有流线型的身躯，但鲸鱼和鲨鱼的亲缘关系很远；鲸鱼是哺乳动物，而跟豹子和我们人类关系更近。再比如，鸟类、蝙蝠和蝴蝶由于适应于天空中飞翔，都有翅膀，但它们亲缘关系却相差非常大。蝙蝠属于哺乳类，而蝴蝶属于昆虫类。

在分子水平上，DNA或RNA序列的两种不同碱基进化成同一种碱基，或者在蛋白质序列上两种不同的氨基酸进化成同一种氨基酸，就是趋同进化。

在所有被关注的新冠的突变体中，它们的刺突蛋白（spike protein）的一个部分发生了一个共同的突变，突变位于病毒表面，帮助它们感染人类细胞。在新冠蛋白质序列上的第614位点，天冬氨酸进化（被替换）为甘氨酸。这种被称为D614G的突变体，大大提高了新冠的传染性。

另一个常见的突变，L452R，再次发生在刺突蛋白上，亮氨酸被换成了精氨酸。研究人员最近在对美国各地数百个病毒样本进行测序后发现，L452R 突变在十几个不同的突变株中出现，即发生了趋同进化。这表明这种突变为新冠带来了重要优势。L452R突变，很可能使得新冠能感染一些具有一定免疫力的人，比如打完疫苗一定时间后，免疫力减弱，或者老年人，或者先天性免疫力弱的人。

由于刺突蛋白对于开发疫苗和治疗方法至关重要，因此与新冠中的其他蛋白质相比，更多的研究已经开始研究那里的突变。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。

今年在美国出现的新冠突变是美国疫情没有得到控制的原因。本来在疫苗开发和接种方面美国取得很好进展，但德尔塔传进来，新冠传染力增加，病例增加。

免疫逃逸和突破性感染

新冠是否可以通过突变而逃避疫苗，这当然是每个人最关心的问题。目前，在美国获得授权的所有三种疫苗都具有不错的保护性。大家比较关注的最新变种Mu，似乎确实削弱了疫苗的有效性，但这个变种目前还只是在局部地区出现。有些人认为，一小部分接种疫苗的人检测呈阳性或出现症状，这表明新冠比疫苗“聪明”，产生了突破性感染（breakthrough infection）。但说事实并非如此。突破性感染这个概念在科学上有误导性。疫苗并不像强大的盾牌，能抵挡住病毒。相反，疫苗允许敌人上船（因此测试呈阳性），但敌人会立即被全副武装的水手包围。很多人可能并不清楚这一点。

由于世界人口中只有少部分人接种了疫苗（大约43%的人至少接种了一计疫苗，但低收入国家中只有 2% 的人接种了疫苗），新冠还没有太多的必要和动机，来突破那些接种过疫苗的人的免疫系统。病毒现在并不需要逃避疫苗的免疫。新冠更容易寻找到新的和改进的方法，来感染数十亿还没有接种疫苗的人。

尽管如此，没有人知道未来会发生什么突变以及它们可能造成多大的破坏。地球上95%的人可以在 48 小时内（在新冠肺炎的潜伏期内）访问另一个地方，这就是为什么即使在偏远、人口稀少的地区出现的变种也会成为全球性问题的原因。

病毒复制时就会发生突变。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。这就是为什么让世界上的每个人都接种优质疫苗，显得非常重要。只要世界上任何地方还有新冠病毒，就有机会出现危险的新变种，进而传播到世界上别的地方。我们生活在地球村，至少在抗击新冠上，大家有着共同的命运。你同意吗？

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作者简介：植物学家，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，密苏里植物园研究员。现任或曾任一些国际主流期刊主编、副主编和栏目编辑；发表通讯作者和第一作者论文178篇；发现、发表植物新科2个、新属9个、新种231个、大型进化树30多棵；其部分研究被美、英、法主流媒体报道。

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《植物学家的野外考察手记》内容简介

    作者多年来在五大洲的20多个国家野外考察，探索人类未知的植物新种、植物多样性和演化。作者用日记真实记述了一个个植物新种的发现过程——走过泥泞的小路、穿过2米多高的草丛、蹚过湍急的河流、在几十米的峭壁上靠一根绳索攀爬、……摔伤、碰到毒蛇、被蚂蟥叮咬而血流不止、受蜱虫威胁、遭遇毒贩都是家常便饭。他也用日记真实地记述了大山中山民的真实生活，为他们的美食感叹，也思考自己可以为大山中的孩子做些什么，在见到遭破坏的生境时更是痛心疾首。对人与自然关系的深刻思考，是贯穿这本书的暗线。

    该书将于2021年秋天，由中国农业科学院出版社出版（北京）和密苏里植物园出版社（圣路易斯）出版。

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《从中国的贫穷山沟到美国的哈佛殿堂：一家三口在中国、德国、美国的励志故事》内容简介

    作者出生在四川偏僻农村。外婆、外爷被划为地主，被逼自杀。15 岁丧父。高考时，是全县唯一上了正常录取分数线的人。上大学时第一次离开县城，第一次见到火车，毕业时政审惊险过关。24岁时成为中国最年轻的《中国植物志》作者。硕士研究发表了8篇SCI论文。26岁时成为中科院那时最年轻的副研。32岁高龄开始在德国攻读博士，一家三口在德国才得以团圆。37岁时，讲一口流利德语但英语很烂，当许多早来美国的同龄人的房贷已经付得差不多时，才带着夫人和10岁的孩子从德国来到美国；在三个州搬家6次，孩子也跟着不停地换学校。面试一所大学教授位置时，不知时差而晚到一个小时而痛失良机；准备另一所大学教授位置面试时，因发生飓风而位置被取消。夫人来美国三年后获得硕士学位，发表数篇高质量论文。孩子高中毕业时以学校成绩第一、做义工最多和出色的领导能力考取哈佛、耶鲁和普林斯顿大学；哈佛毕业后，先后为投资人、公司创始人、合作伙伴和咨询师。

    该书计划在2022年出版。正寻找出版商。

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《植物学家带你自驾游美国》内容简介

    跟着植物学家游览，你会看到一个不同的世界！从美国的地理中心密苏里出发，向西北去总统山、黄石公园、宰恩公园、拱门公园、布莱斯峡谷、羚羊谷、马蹄湾，大峡谷。。。；向西南去死亡谷、红杉公园、优胜美地、金门大桥、旧金山、硅谷、石化林公园。。。；向东北去尼亚加拉大瀑布、波士顿、哈佛、MIT、纽约、华盛顿。。。；向东南去乔治亚、佛罗里达。。。；向南去孟菲斯、新奥尔良、休斯顿、小石城。。。

    该书计划在2022年出版。正寻找出版商。

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《美丽的密苏里：植物学家的散文、游记》内容简介

    没到过美国的中西部，你就没来过真正的美国！地广人稀，但不乏美丽的风光和人文特色。最重要的，有植物学家当“向导”，你看到的东西大不一样，不只是多了植物、自然以及相关的很多故事！有密苏里的粉丝告诉作者，以前从来没有觉得密苏里有这么美丽！泡菜泉公园、孤鹿公园、姜生峡谷、大象石公园、巴布勒公园、密苏里植物园、欧沙克保护区、十一点河、湍流河。。。

    该书将在2022年出版。

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