科学探索|进化“景观”能够帮助预测COVID病毒的下一步动作进化“景观”能够帮助预测C

2019年秋天，世界开始了现代史上最大的进化生物学实验之一。一种冠状病毒获得了在人类体内生存的能力，而不是一直作为其宿主的蝙蝠和其他哺乳动物。它进一步适应，变得能有效地从一个人传播到另一个人，甚至在身体的防御系统能够对抗它之前进行。
【科学探索|进化“景观”能够帮助预测COVID病毒的下一步动作】

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很显然，进化的棋局并没有就此停止，现在，我们已经有一个希腊字母汤的SARS-CoV-2变体来证明这一点。
眼下，来自世界各地的研究人员正在试图更详细地了解该病毒的进化，特别是SARS-CoV-2的突变如何改变其在人类中传播的能力。“今天适应性良好的病毒明天可能会适应不良，因为宿主产生了抗性，然后它必须找出一种新的方式来感染该宿主，”来自加州大学圣地亚哥分校的进化生物学家Justin Meyer说道，“这推动了创新，推动了新颖性。”
尽管不断变化的大流行病所造成的人员伤亡是严峻的，但通过观察病毒在全球范围内的移动而获得的大量科学数据是有启发的。牛津大学大数据研究所的统计遗传学家Luca Ferretti表示：“COVID给了我们一些最美丽的进化实例。”
预测病毒下一步可能会做什么可能永远不可能，但世界各地的病毒学家一直在深入了解SARS-CoV-2的哪些部分最容易进化，哪些关键的蛋白质元素不能改变而不影响其生存。这些信息可能为更好、更持久的疫苗指明了方向。其他研究强调了该病毒可能对用于治疗一些严重的COVID-19患者的单克隆抗体疗法产生抗性的方式。这项工作还指出了特定的突变组合，如果这些突变在病毒群体中普遍存在则可能会迎来大流行病的新阶段，这些突变除了快速传播之外还擅长逃避我们的免疫防御。
科学家们通过利用现代技术重新审视近一个世纪前提出的一个概念--适应度（或自适应）景观--而得以做出这些发现。他们可以使用适应度景观来量化病毒基因组的变化跟其复制和感染新宿主的能力之间的关系。代表这种关系的地形图可以帮助重建病毒的历史，另外，至少还可以潜在地预测其未来。
对于伦敦帝国学院的分子进化生物学家Tobias Warnecke来说，适应度地貌是连接基因型和表型的一种宝贵方式。他指出，通过挖掘它们的定量潜力，科学家们可以提出关于两个突变如何协同影响一个性状的问题以及它们如何受到第三个突变的影响。“以这种方式，你可以通过许多不同的基因型组合来看看这如何影响你感兴趣的东西。”
适应度景观的价值并不限于在基因组或蛋白质的少量变化之间进行比较。现代实验技术也使一种被称为深度突变扫描的策略成为可能，在这种情况下，研究人员进行小规模的自然选择实验并一次性比较数以万计的突变体的适应度价值。这一过程可以揭示出突变之间不可预见的相互作用，这些突变可以帮助或伤害病毒--而且可以确定病毒未来的进化路径，这些路径可能会对人类构成新的威胁。
生存的动态地图
查尔斯·达尔文在《物种起源》中写道，自然选择是“保存有利的个体差异和变异，并破坏那些有害的个体差异和变异”的结果。在那些日子里，在对遗传学和突变的科学理解之前，生物学家只能试图想象一个生物体的小的、可继承的变化会如何影响其繁殖。这个想法只有在美国生物学家Sewall Wright的工作中才得以充分巩固。在其于1932年发表在《Proceedings of the Sixth International Congress of Genetics》上的开创性论文中，他用手绘的图表来说明一个生物体如何在“几乎无限的可能变异领域中移动，而该物种可能在自然选择下通过这些变异” 。