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[闲聊] 百年前理论派上大用场？学者通过适应度地形预测新冠病毒 ...

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zjba 发表于 2022-7-30 13:54:43 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
新冠病毒变异体奥密克戎自从问世以来就备受关注，它不仅可以再感染已经感染过新冠病毒的人群导致“群体免疫”失效；还可以感染接种过新冠病毒疫苗的人导致“疫苗免疫”失效。那么奥密克戎后续还会如何演变呢？广达电脑（Quantamagazine）2022年1月11日发文，表明通过建立数学模型拟合各种突变的分布图（适应度地形），理论上可以用来预测新冠病毒（SARS-CoV-2）或其他病毒未来可能如何进化，从而为我们打开未知之门，国纳科技酱对此进行了补充与解读。

百年前理论派上大用场？学者通过适应度地形预测新冠病毒 ... 第1张图片

数学建模应用于预测新冠病毒演变并不新鲜

早在2021年12月21日，就有报道表明科学家们正通过数学建模来模拟奥密克戎未来发展趋势，从而给出更精确预测，当时国纳科技酱撰文进行了解读与补充。

百年前理论派上大用场？学者通过适应度地形预测新冠病毒 ... 第2张图片
在这篇文章中，世界顶尖的科学家们正依据奥密克戎天生的传染性和它逃避人类免疫系统的能力这两个因素来建立数学建模模拟奥密克戎的全球轨迹，从而让我们可以预测未来，因此数学建模应用到新冠病毒后期演变预测并不是什么新鲜事。

科学家试图弄清病毒如何演变

自从2019年年末新冠病毒从以往可能的宿主蝙蝠和其他哺乳动物迁移到人类体内，并获得在人类体内生存下来的能力后，它就开始逐步适应新环境在人体免疫系统能够对抗它之前，开始从一个人传播到另一个人，并开始了不断演化突变以进一步适应新的环境。

百年前理论派上大用场？学者通过适应度地形预测新冠病毒 ... 第3张图片
世界各地的研究人员正试图更详细地了解这种病毒的进化，今天适应良好的病毒明天就可能适应不良，因为宿主会产生抗性（不管是人类自身免疫系统进化产生的抗性，还是通过打疫苗获得抗性，或者通过感染痊愈后获得的抗性），然后它必须找出一种新的方式来感染该宿主。

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牛津大学统计遗传学家Luca Ferretti表示：“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，让我们对新冠病毒华丽演变有了更清晰的认识。”

适应度地形的提出

对于病毒如何演化这一问题，早在1932年美国遗传学家Sewall Wright第一次提出了把基因型和适应度的对应关系用“fitness landscapes”，中文译作“适应度地形（适应度景观）”来进行描述。这里的适应度（fitness）是指生物在特定环境下的生存能力，生物的进化实际上就是通过改变基因型来实现的，即通过不断提升自身在这个环境下的适应度来适应特定环境。

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如今，科学家们通过利用Sewall Wright提出的适应度地形，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，这种地形图可以帮助重建病毒的历史，还可以预测其未来发展趋势。

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伦敦帝国学院的分子进化生物学家Tobias Warnecke认为：“适应度地形是连接基因型和表型的一种非常有用的方式。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。以此类推，我们可以通过许多不同基因型组合来发现其如何影响我们关注的问题。”

动态适应度地形图的绘制

进化论的始祖达尔文在其《物种起源》明确指出：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。

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基因型和适应度这个理论非常简单明了，我们只需要知道基因型，然后测量适应度，基本上就可以预测任何可能发生的事情，然而将理论付诸实践却并没有那么简单。其中一个复杂的问题是，无论是新冠病毒还是人类的适应度地形都不是静态的，实际上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，也就是说是适应度地形一定动态变化的。

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同时，创建适应度地形还面临一个不得不提出来的数学挑战，因为即使是一个长度只有100个氨基酸的小蛋白质理论上也存在20100个可能的变体，这可是比宇宙中的原子数量还多，这导致计算非常复杂。不过，随着先进的计算能力和改进的分子生物学技术的出现，科学家们可以为单个蛋白质和简单的生物体如细菌和病毒制作定量的适应度地形。科学家们发现尽管适应度地形复杂，但往往生物体只受少数几个适应度的影响，这使得动态适应度地形图的绘制的计算成为了可能。

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适应度地形应用于新冠病毒演变

在以上科学基础上，科学家们发现通过适应度地形来研究新冠病毒这种全球蔓延的新型病原体的演变是可行的。我们可以弄清楚哪些因素在病毒蛋白中是重要的以及病毒能容忍多少变化。

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不过，最初科学家比较乐观，他们并不认为新冠病毒会有很多遗传变化，原因在于尽管新冠病毒使用一种容易出错的RNA聚合酶来复制遗传物质，但它拥有第二种蛋白质作为校对，这使得理论上来说出错可能性并不会很大，也就不会有机会产生大量突变。

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但事实上是，刺突蛋白成为新冠病毒中演化最大的部分，因为它是免疫系统识别能力最强的部分，也是病毒用来闯入人体细胞的，但是由于它拥有1273个氨基酸，规模太大以至于科学家们无法通过适应度地形进行快速评估，因此他们另辟捷径把重点放在只有几百个氨基酸的受体结合域刺突蛋白，现在看来这真是一个可行的策略。于是，科学家们利用深度突变扫描发现受体结合域有很多不同的突变具有很大的进化能力，由此科学家就可以构建适应度地形从而预测新冠病毒未来的演变进程，这无疑是一个大的跨越。


结论

我们注意到，首次出现的新冠病毒的世界跟今天的世界已经完全不同，病毒产生大量复制并在人体间传播的能力是其在大流行初期取得成功的关键，但随着通过疫苗接种和感染过新冠病毒人数的增加，病毒将面临诸多挑战以逃避人体免疫。通俗来说，我们人体就是病毒的环境，如果我们改变了，病毒所处的环境也就改变了，病毒会通过变化适应这个新环境，或许正如之前生物学家预测的那样，新冠病毒不会被根除，而是将与我们如影相随。

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不过幸运的是，如今科学家们通过百年前遗传学家提出的适应度地形理论，可以用数学建模的形式模拟新冠病毒未来的演化进程，从而让我们有机会预测未来新冠病毒到底如何演变，如果真能实现，这将是人类抗病毒历史上有一个里程碑事件。大家对此怎么看呢？欢迎留言。

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我是国纳科技酱，技术背景资深运营，百家匠心计划签约创作者，百家榜及优选计划上榜创作者，扎根空净/新材料/节能环保领域二十年，用冷静、专业视角给你带来不一样的科学认知。
重要声明：此处所发表的文章是作者国纳科技酱原创作品，版权归国纳科技酱所拥有，图片来自互联网。转载请标明原创作者及出处！


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标签：美国1月11日病毒变异奥密克戎广达电脑
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