毫無疑問，您已經聽說過世界各地正在演變的新型冠狀病毒變種。現在似乎有十幾個版本的 SARS-CoV-2，它們的關注程度各不相同，因為有些與傳染性和致死率的增加有關，而另一些則沒有。這種多樣性很容易讓人不知所措，並擔心我們永遠無法實現群體免疫。然而，越來越多的證據表明，這些變種具有相似的突變組合。這可能不是許多人所擔心的多線作戰，擁有無限數量的新病毒版本。
我是一名進化微生物學家，研究細菌和病毒如何適應新的環境或宿主。像許多微生物學家一樣，我和我的同事們已經把注意力轉向瞭解 SARS-CoV-2 如何進化出在人類中繁殖和傳播的適應性。我們最喜歡的實驗室方法是實驗進化，在實驗中，我們從相同的菌株開始，在相同的條件下培養多個微生物種群，持續數週或數月。我們研究諸如抗生素耐藥性如何進化和感染如何變成慢性等問題。這種方法的強大之處在於，使用多個種群可以讓我們“重播生命之帶”，並研究進化可能具有多大的可重複性和最終的可預測性。
我們看到的一種模式被稱為趨同進化，即相同的性狀隨著時間的推移在不同的獨立譜系中出現，通常是它們適應相似環境時。一些趨同進化的最佳例子包括各種沙漠動物的沙色；鯨魚、海象和海牛（實際上關係很遠）的葉狀游泳鰭；甚至人類在成年後消化乳糖的能力，這種能力在地理上隔離的人群中出現了幾次。
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就 SARS-CoV-2 而言，來自數千名患者的病毒的完整基因組序列使我們能夠尋找趨同模式。雖然大多數突變都是一次性的，最終會滅絕，但有些突變建立了新的譜系，隨著病毒成功複製和感染許多人，這些譜系的頻率會越來越高。如果病毒的同一部分在世界各地的不同樣本中反覆突變並且變得更加頻繁，這種突變很可能編碼了一種適應性，可以幫助病毒繁殖和傳播。
隨著冠狀病毒基因組監測的加強，最近的一些研究已經發現了趨同進化的跡象。在美國，我們的實驗室發現了至少七個在基因上獨立的譜系，它們在病毒臭名昭著的刺突蛋白（病毒用來附著在人體細胞上的蛋白）的特定位置獲得了一個突變。刺突蛋白具有一個由氨基酸連結而成的序列，該突變發生在第 677 個位置。在原始的 SARS-CoV-2 中，這是氨基酸谷氨醯胺，縮寫為 Q。
在六個譜系中，這個 Q 突變為另一個氨基酸，組氨酸 (H)，被稱為 677H。在第七個譜系中，Q 突變為另一個氨基酸，脯氨酸 (P)。每個譜系還具有一個稱為 S:614G 的突變，這是幾個月前被識別出的病毒的第一個顯著變化，並且傳播範圍如此之廣，以至於現在在所有感染病例中佔 90%。我們以常見的鳥類命名這七個美國譜系，例如“知更鳥”和“鵜鶘”，以幫助我們區分和追蹤它們，並避免因以它們首次被檢測到的區域命名而產生偏見。
美國境外的譜系也獲得了 677H，包括在埃及、丹麥、印度和馬其頓的一個大型叢集中。一種名為 B.1.525 的新變異也具有 677H，從 B.1.1.7（最早發現的令人擔憂的版本之一）演變而來的幾個譜系也是如此。S:677 突變的巧合的全球出現及其流行率的五倍增加有力地證明了這些變化必須在某種程度上提高病毒的適應性。我們還不知道具體原因，但值得注意的是，S:677 與刺突蛋白的一個區域相鄰，該區域有助於病毒進入並感染人體細胞。
這遠不是 SARS-CoV-2 中趨同的唯一例子。刺突蛋白中至少八個不同位置的突變同時在世界各地興起，出現在 B.1.1.7 和其他主要關注的變種中，這些變種被稱為 B.1.351、P.1 和 P.3。這些變種在 18、69-70、417、452、501、681 位置共享突變組合，以及一種特別令人擔憂的 E484K 突變，它可以逃避中和抗體。出於這個原因，追蹤變種的兩個領先科學網站（http://covariants.org/ 和 http://outbreak.info）現在報告了這些共享的、定義性的突變，以簡化和鞏固我們的注意力。美國疾病控制中心和媒體在理解這些關鍵突變的重要性方面進展緩慢，但這種情況正在改變，因為正是這些變化可能會改變病毒的功能，例如傳染性或逃避疫苗的能力。
設想這種型別的趨同進化的一種方式是將其視為俄羅斯方塊遊戲，其中有限數量的構建塊可以以不同的方式、不同的組合進行組裝，以實現相同的獲勝結構。例如，現在已知 B.1.1.7 中的突變組合使其具有特別強的傳染性，並且 B.1.351 譜系由於 E484K 可以逃避抗體。
由於許多新發現的變種似乎正在重新取樣在其他已建立的變種中發現的突變，我們可以推測病毒開始耗盡新的主要適應性。但這並不意味著當我們開始接近群體免疫並放鬆限制時，進化的力量就會停止。歷史告訴我們，病毒可以迅速進化以逃避傳播障礙，尤其是在感染仍然很多的時候。我們必須記住，感染越多，發生突變的機會就越大，那些最能幫助病毒生存的突變就會增殖。這就是為什麼阻止新的感染是關鍵。這些病毒適應性已經在重寫我們關於趨同進化的生物學教科書；讓我們努力限制新材料的出現。
同樣至關重要的是，我們必須大力投資建立一個預警系統，以檢測新的 SARS-CoV-2 變種以及許多其他新出現的病原體，無論是已知的還是尚未發現的。病毒基因組監測和測序是關鍵。在英國檢測到許多變種的原因是因為研究人員和公共衛生官員在這些技術方面的遠見卓識的投資。
在美國，來自新的聯邦刺激計劃的大量資金已經增加了研究人員可以對病毒樣本進行測序和分析的頻率。必須透過建立公共衛生專業知識和研究基礎設施來解碼病毒的基因變化，並預測未來疫苗修改的需求，以此來維持這種增長。正是基礎科學透過新的疫苗技術為這次大流行提供了希望；並且在新的支援下，它也將成為我們抵禦未來威脅的守護者。