科学探索|进化“景观”能够帮助预测COVID病毒的下一步动作( 二 ) 进化“景观”能够帮助预测C

Wright指出，将DNA或肽等线性分子的大量可能变体形象化的一种方法是将每种可能性视为空间中的一个独特点。然后，分子的进化相当于初始和最终变体的点之间的路径，沿途则会遇到所有的中间变体的点。

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为了帮助理解这些变体的复杂图形和它们之间的进化路径，Wright表明，它们可以被表示为更直观的“适应性景观”，只有两个或三个维度。横轴描绘了DNA（基因型）或物理性状（表型）的变异性--两个变体越相似，它们在平面上就越接近；纵轴则衡量变异对进化适应性的影响。无论是通过增加可存活的后代还是改善蛋白质的功能，提高生物体生存几率的变异都在山峰上栖息，而那些减少生物体生存的变异则在谷底徘徊。
来自密歇根大学医学院的进化生物学家Adam Lauring指出，结果是一个具有独特地形的景观。如果映射出的变体在其对健康的影响方面没有什么不同，那么景观看起来就相当平坦，很像内布拉斯加州。对适应度有很大影响的变异体创造的景观更接近于犹他州布莱斯峡谷的高耸的帽状物。自然选择倾向于山峰上的变体。一个物种的平均基因型或表现型应该通过从一个山峰到下一个山峰来进化，最好是沿着山峰之间的山脊而不是通过山谷。
“如果你移动几英尺你就会掉下来，再爬起来就变得非常困难，”Lauring说道，“可以移动的路径较少。”
“这个理论非常简单明了。你只需要知道你的基因型，然后你测量适应度，你基本上可以预测任何可能发生的事情，”在瑞士伯尔尼大学研究进化动力学的Claudia Bank说道。然而将理论付诸实践是另一回事。
一个复杂的问题是，无论是SARS-CoV-2还是人类的适应度景观都不是静态的。一个让生物体消化新食物但使其生长更慢的突变可能是一个救命稻草，也可能是一个致命的障碍。一个变异体对进化适应性的影响取决于生物体所处的环境。当环境发生变化时，适应度状况也会发生变化。Lauring说道：“不同的变异有不同的影响，而这取决于适应度环境。”

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创建适应度景观同时也是一个数学上的挑战。即使是一个长度只有100个氨基酸的小蛋白质也会有20100个可能的变体，这比宇宙中的原子数量还多。很难想象，更不用说计算了，真正的蛋白质适应度景观的复杂地形以及穿越它们的各种路径的可能性。因此，几十年来，适应度景观是概念上的帮助，而不是具体测量的工具。直到最近，随着先进的计算能力和改进的分子生物学技术，科学家们才开始为单个蛋白质和简单的生物体如细菌和病毒制作定量的景观。
细菌和病毒几乎是适应度景观的理想对象。在试管中以数百万或数十亿的数量增长，每个细菌细胞或病毒颗粒都可以从描述适应度景观的巨大变体库中孕育一个突变。它们的生成时间非常短，只有几小时或几天，这也使研究人员能更快地识别新的变异。大多数使用RNA作为其遗传物质的病毒--包括HIV和丙型肝炎病毒(HCV)--也非常容易发生突变，因为复制其基因组的RNA聚合酶并不像DNA聚合酶那样有效地校对副本。
科学家们开始发现的第一件事是，尽管景观很复杂，但生物体往往只受制于少数几个适应度最大值和它们之间有限的路径。2006年《科学》的一篇论文仔细研究了一种叫做β-内酰胺酶的蛋白质，它能使青霉素等抗生素失活。β-内酰胺酶中五个单核苷酸突变的共同作用可以使其抗生素的抗性增加100,000倍。当时在哈佛大学从事进化生物学博士后研究、现在在布朗大学领导一个实验室的Daniel Weinreich和他的同事指出，该基因的进化有可能遵循120条路径来积累所有五个突变。