2021年1月在南非發現的名為 C.1 的新型冠狀病毒譜系與其他變種相似。它的傳播範圍不大，它的基因組也沒有什麼特別的。但是病毒進化得很快，比地球上任何其他生物都快——新型冠狀病毒也不例外。巴斯大學教授Ed Feil研究病原體的進化，最近他分析了新冠病毒的突變率。
“SARS-CoV-2 在大流行期間經歷了大致相同數量的突變進化變化（與基因組大小成正比），就像自大約 250 萬年前首次在地球上行走以來人類所經歷的那樣，”Feil在《The Conversation》中解釋道。
毫不奇怪，僅僅四個月後，當南非遭受由高度傳播的 Delta 變體引起的第三波 COVID-19疫情時，一個跟蹤該病毒的團隊開始檢測到新版本的 C.1，其基因組發生了廣泛變化。他們很快發現，這個被稱為 C.1.2 的變體比席捲全球的任何其他主要變體都發生了更多的變異。它包含在 Alpha、Beta、Gamma 和 Delta 中發現的所有關鍵變化，以及目前正在調查的其他令人擔憂的變化，包括一些與逃避免疫系統的能力相關的變化。
在這種病毒的進化過程中是否會發生其他事情的問題尚無定論。
“這個版本有更多的突變，”約翰內斯堡國家傳染病研究所的計算生物學家 Cathrine Scheepers 說，他是 2021 年 5 月發現 C.1.2 的團隊的一員。目前，幸運的是，新變種仍保持在低水平。Scheepers 說，與 Delta 相比其水平較低，但已在另外 10 個國家/地區檢測到。“我們仍在監控它，”Scheepers 補充道。
SARS-CoV-2 Delta毒株的傳染性已經比 Alpha 毒株高 40% 到 60%，而 Alpha 毒株的傳染性已經比原始毒株高 50%。引起麻疹和水痘的病毒比 Delta 更容易傳播，但 Delta 的循環時間更快，因此它在四天內從一個人傳播到另一個人，而其他病毒至少需要 10 到 14 天。
在這種病毒的進化過程中是否會發生其他事情的問題尚無定論。只要存在可以感染的脆弱人群，病毒就會傳播、複製和變異，並隨着傳播而進化。自然選擇的進化是生物學定律；它是一種字面上的自然力量。這種病毒的持續傳播將導致進一步的變異、新的變種、更多的死亡和持續的大流行。
並不是說人類不試圖管理這種病毒的進化。每天，疫苗製造商、研究人員和政府都在跟蹤病毒變化，識別和控制新的變異，並試圖減緩傳播。人類開展了歷史上規模最大的疫苗接種運動，在最初爆發后的兩年內為 39 億人接種了至少一劑 COVID-19 疫苗。
然而，研究人員指出，我們一直無法控制這種病原體。SARS-CoV-2 是自然選擇進化的縮影，是一個非凡的對手。正如人類之前和將來無數次一樣，我們低估了自然的力量，而我們處於危險之中。
每個SARS-CoV-2 基因組由30000個單獨的化學鹼基組成，以字母表示，這些鹼基存儲了一組蛋白質的指令，用於劫持我們的細胞併產生數十億個新病毒顆粒。
當一個人吸入病毒時，其表面臭名昭著的刺突蛋白會識別並附着在人體細胞上的蛋白質上。雖然感染過程始於我們的喉嚨和肺部，但病毒能夠攻擊全身的細胞和系統，包括心臟、血管、腸道、腎臟等。
一旦附着在細胞上，病毒就會將其基因組——一條由 30000 個 RNA 鹼基組成的捲曲單鏈——射入細胞內部。在那裡，病毒蛋白開始重塑細胞結構以適應病毒部分的大規模生產。病毒基因組領導着這種多方面、協調的努力，以製造更多的病毒。
每個新的病毒顆粒都攜帶一個新複製的病毒基因組副本，並準備好感染更多細胞。當粒子離開宿主細胞時，它們會觸發一連串殺死它的事件。當它死亡時，細胞會向免疫系統釋放信號，提醒身體注意危險。在某些情況下，對這些信號產生的免疫反應造成的傷害大於幫助，包括嚴重的肺損傷或稱為細胞因子風暴的廣泛炎症。
現在，還記得那些新生成的病毒基因組副本嗎？在複製 RNA 的過程中會發生錯誤，例如一種化學鹼基轉換為另一種化學鹼基，或者將一小塊 RNA 添加到原始序列中或從原始序列中移除。更為人所知的是突變，這些隨機變化通常很小，就像改變繪畫上的筆觸角度一樣，但後果可能很大。研究人員通常認為突變對生物體不利，例如導致鐮狀細胞病的血紅蛋白基因突變。但突變也可以是中性的或有益的，例如與胰島素產生相關的基因突變，使一個人患糖尿病的可能性降低 65%，即使他們有肥胖等危險因素。
隨着病毒的新副本的產生，病毒基因組會隨着每次感染而獲得新的突變，無論是好的還是壞的。6 月，以色列魏茨曼科學研究所的一個團隊及其合作者計算出，每次人類感染 SARS-CoV-2 時，他們的身體都會產生 10 億至 1000 億份病毒。該團隊還估計，在每次感染期間，病毒基因組內可能會發生 0.1 到 1 次突變。如果我們保守地同意每次感染給病毒基因組增加 0.1 個突變，那麼在全球每天 425,000 例病例中，會發生 42,500 次突變。這意味着冠狀病毒基因組中的 30000 個鹼基中的每一個每天都有可能發生突變。
值得慶幸的是，這些突變中很少有人在病毒種群中“站穩腳跟”。即使在一次感染中發生突變，該突變也很少會傳遞給另一個人。根據最近的兩項研究，傳播給他人的少量病毒通常與開始感染的毒株相同。或者，正如匹茲堡大學微生物學家兼進化生物學與醫學中心主任Vaughn Cooper描述的那樣：“輸入的代碼通常是輸出的代碼。”
不幸的是，有一個例外。如果病毒在一個人體內停留較長時間——例如免疫系統較弱的個體，無法清除病毒——它將與人體免疫系統廣泛相互作用並獲得有用的突變來對抗它，例如通過一個“訓練營”並變得更強大。例如，在過去的一年裡，科學家們觀察到 SARS-CoV-2 變種獲得突變，這些突變足以改變刺突蛋白的形狀，從而使保護性抗體——像鎖和鑰匙一樣與刺突結合以識別和中和它——不再依附。
當病毒在一個人體內徘徊時，新的突變會複製到無處不在的程度，並且可以傳遞給其他人，從而繞過傳播瓶頸。有證據表明 Alpha 變體可能首先出現在免疫受損的個體中，Scheepers 認為 C.1.2 也是如此。
儘管如此，在單次感染中積累的大多數突變都會受到傳播瓶頸的影響並且會丟失。但不是所有的。病毒的傳播速度如此之快，以致於甚至會發生罕見的事件，因此獲得並傳遞了突變。任何賦予病毒在其環境中生存和繁殖的競爭優勢的突變——被稱為“適應性”——更有可能被傳遞並成為基因組的永久部分。這就是行動中的自然選擇。
今天，SARS-CoV-2 每月在全球人口中獲得大約 2 個永久性突變。這種病毒還沒有結束。
截至2021 年 10 月下旬，2008 年針對流感推出的免費基因組共享平台 GISAID Initiative 已累積超過 470 萬個共享 SARS-CoV-2 序列。這數以百萬計的共享基因組序列使科學家能夠近乎實時地追蹤病毒突變，這在人類歷史上尚屬首次。在建立了一個檢測突變的系統后，科學家們開始在令人費解的分子細節中確定突變的作用。D614G 是第一個主要的 SARS-CoV-2 突變，也是加速病毒在全球傳播的突變之一，有時也被稱為“Doug”。
2020 年 4 月上旬，Doug 在英國被發現，然後開始了全球傳播。研究人員發現，一旦這種突變被引入一個區域，它就會迅速成為最常見的病毒形式。突變本身是病毒基因組中第 23,403 位 A 到 G 的鹼基變化。這種變化將病毒刺突蛋白中的一種氨基酸替換為另一種（甘氨酸）。單次交換會導致病毒的受體結合域（鉤在人體細胞上的病毒片段）更頻繁地粘附在向上的位置並鎖定通過的細胞。
Doug是未來事物的預兆。今天的改變健康的突變列表包括：P681R、L452R、D950N、del144Y、K417N、T1027I、A701V、N501Y、L18F、del242-244，等等。根據在全球範圍內進行的研究，SARS-CoV-2 突變導致病毒的傳播能力增加、對抗體（由自然感染和疫苗產生的抗體）的抵抗力增加，以及疾病癥狀的嚴重程度增加。
雖然像 Doug 這樣的一些單一突變對病毒的適應性有明顯的影響，但科學家們認為，主要是突變的組合將變體轉化為它們的主宰——尤其是 Delta，它在刺突蛋白中積累了 9 個突變，共同使其瘋狂增加了可傳播性。
此外，RNA 病毒還有另一種快速進化的方法：它們以重組事件而聞名，其中單個細胞內的多個病毒交換整個 RNA 部分。現在有多種變體在傳播，根據一些流行病學家的說法，變體有可能——甚至很有可能——可以交換和組合部分成為所謂的“超級”變體。雖然已經檢測到重組事件，但到目前為止它們僅限於一小群人，並且正在進行跟蹤它們的監視工作。
在過去的 22 個月里，科學家們發現了病毒進化的一線希望。自然選擇正在推動病毒增加病毒傳播和免疫逃避，但不會推動人類發生更嚴重的疾病。 Cooper說，嚴重的疾病，例如細胞因子風暴，是感染的副產品，似乎並不能幫助病毒更好地傳播或繁殖，因此進化不會選擇這種特徵。
另一個好消息是：全球的病毒種群似乎正在解決類似的突變。在西雅圖的 Fred Hutchinson 癌症研究中心，Trevor Bedford、Katie Kistler 及其同事最近使用 GISAID 的數據庫表明，最成功的病毒譜系獲得了與改善細胞進入相關的刺突蛋白突變，以及其他兩種蛋白質的突變、Nsp6 和 ORF7a，與病毒複製和逃避先天免疫系統有關。在許多情況下，他們發現相同的突變在全球獨立出現，這一過程稱為趨同進化。
如果病毒在某些關鍵適應性上趨同，它就會變得更加可預測，這可能會讓科學家更有信心地追蹤和對抗它。“好消息是我們沒有看到全新的組合，”Cooper 說。“希望這能讓人平靜下來。”
華盛頓大學分子生物學研究生 Kistler 說，減緩病毒進化並防止額外突變和新變種的唯一方法是減緩病毒傳播。“每次感染都是病毒進一步進化的機會，”她指出。無論我們能做些什麼來減少感染數量——並特別照顧慢性感染者——都可以幫助我們管理 SARS-CoV-2 的演變。
我們減緩傳播最有力的武器是疫苗接種。不同的疫苗以不同的方式保護身體免受入侵者的侵害，但一般的要點是，疫苗將滅活形式或病毒片段（非傳染性的東西）呈現給身體以模擬免疫系統對抗它。例如，輝瑞和 Moderna 的 mRNA 疫苗包含讓我們的細胞產生病毒刺突蛋白的指令。在我們的細胞發出一堆無害的刺突蛋白之後，身體的免疫系統會注意到並攻擊這些外來蛋白質，併產生 T 細胞和 B 細胞，如果病毒再次進入體內，它們會留在周圍以對抗這種病毒。
只有通過廣泛的疫苗接種，我們才能減緩這種病毒的進化。
除了預防感染外，接種疫苗的另一個好處是，如果接種疫苗的人確實被感染，他們往往會在體內產生較少量的病毒，並且比未接種疫苗的人更快清除感染，從而減少病毒變異的時間。
當醫生或科學家提到病毒的“逃避”變體時，他們指的是具有突變的變體，可以避免（逃避）從疫苗接種或先前感染中獲得的保護。例如，Beta 變體攜帶突變——包括 E484K 或“Eek”——使其能夠部分躲避免疫系統，因為抗體不太可能與刺突蛋白結合。早在 2021 年 2 月，在臨床試驗表明阿斯利康疫苗無法預防由 Beta 變體引起的輕度至中度 COVID-19 后，南非甚至停止使用該疫苗。Delta 變體的傳播似乎也部分是由刺突蛋白中的突變驅動的，這使得它比原始刺突蛋白更好地逃避免疫系統。
目前，疫苗公司表示，他們批准的疫苗是針對所有已知變體的最佳保護措施，而且大多數疫苗公司都鼓勵對高危人群進行加強注射，正如 FDA 最近批准的那樣。此外，輝瑞、Moderna 和阿斯利康正在練習通過綵排快速生產逃逸變異疫苗所需的方法。他們正在根據當前的變體製造疫苗，然後通過讓它們進行測試和批准的工作流程來運行。“我們想練習執行菌株變更的所有方面……這樣，如果我們確實看到了真正逃脫疫苗免疫力的變種，我們就準備好快速行動，”病毒副總裁兼首席科學官Philip Dormitzer 說。
對於任何出現的新變種，輝瑞和合作夥伴 BioNTech 預計能夠“在做出決定后大約 100 天內開發和生產針對該變種的量身定製的疫苗，”輝瑞發言人 Kit Longley 稱。
人類正在與病毒賽跑，在病毒進化出新的變體之前為儘可能多的人接種疫苗。根據牛津大學“我們的世界數據”項目估計的疫苗接種率，截至 2021 年 10 月下旬，全球 48.7% 的人口至少接種了一劑 COVID-19 疫苗。
不幸的是，世界上的疫苗接種率並沒有那麼高。國家之間存在着巨大的差距。較富裕的國家有較高的疫苗接種率，而較不富裕的國家則沒有。總體而言，低收入國家中只有 3% 的人至少接受過一劑疫苗，這意味着這些人群仍然非常容易受到感染，而且該病毒還有很大的呼吸空間可以繼續傳播和進化。總部位於美國的非營利性全球衛生組織 PATH 將 COVID 疫苗的推出稱為“全球緊急情況”，並指出世界各地的許多人可能需要數月甚至數年的時間才能接種疫苗。
正如我們在美國看到的那樣，單個社區內的疫苗接種率也參差不齊。疫苗接種的拼湊網絡——高度接種疫苗的人群與未接種疫苗的人群並排——為病毒創造了一個“大熔爐”，使其變得更強大，更糟。情景是這樣的：在未接種疫苗的人群中，大量病毒傳播。大量病毒設法感染接種疫苗的人，並與疫苗誘導的抗體相互作用。新的逃避抗體的突變體出現，然後被傳回未接種疫苗的人群中以增加數量並再次傳播，這一次會感染接種疫苗和未接種疫苗的人群。
隨着感染的繼續，進化也在繼續。只有通過疫苗接種、戴口罩和保持社交距離等（這些措施對新冠病毒的所有變體都有效），我們才能減緩這種病毒的進化。