在一個昏暗的二月傍晚，七個人聚集在“納撒尼爾·B·帕爾默號”研究破冰船後甲板小屋裡的一排電視監視器前。這艘研究破冰船在南極洲海岸外 30 公里處怠速航行，一根成人手腕粗的電纜從船尾垂下。電纜的末端，在水下 1400 米的大陸架上，一輛遙控潛水器 (ROV) 掠過海底，勘測著一片荒涼的灰色泥濘景觀。傳回電視監視器的這幅陰森荒涼的畫面，是一個不受歡迎的發現的先兆。
在 2010 年沿南極半島進行的為期 57 天的考察航行中，遙控潛水器訪問了 11 個不同的海底地點。每次，它都發現了豐富的生命，主要是無脊椎動物：在水流中搖曳的海百合；骨瘦如柴、長著鋸齒狀手臂的海蛇尾；以及海豬，一種用充水腿在海底蹣跚而行的海參。但在這個地點，它們都消失了。15 分鐘後，原因變得清晰：一隻紅色硬殼蟹，像蜘蛛一樣，腿展像棋盤一樣寬，匆匆進入了遙控潛水器的攝像機視野。它有條不紊地探測著泥土——右爪，左爪，右爪——尋找蠕蟲或貝類。很快又出現了一隻螃蟹，接著又出現了一隻又一隻。擁擠的小屋裡爆發出 chatter 聲。“它們是天然的入侵者，”夏威夷大學馬諾阿分校的海洋生態學家克雷格·史密斯 (Craig Smith) 喃喃自語道。“它們是隨著溫暖的海水進來的。”
寒冷的溫度使螃蟹遠離南極海域已有 3000 萬年之久。但來自海洋深處的暖水現在正在侵入大陸架，並且似乎正在改變脆弱的生態平衡。史密斯及其同事的一項分析表明，已經有 150 萬隻螃蟹棲息在帕爾默深淵，也就是遙控潛水器當晚正在探索的海底峽谷（參見“溫暖的歡迎”）。而本地生物幾乎沒有防禦自身的方法。“南極洲沒有能咬碎硬殼的捕食者，”史密斯說。“當它們進來時，它們將消滅一大堆地方性物種。”
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研究人員擔心，螃蟹數量的上升以及海水變暖的其他影響可能會不可逆轉地改變一個與地球上任何其他生態系統都不相似的海底生態系統。科學家們正在競相記錄這些影響，即使他們繼續探索這個鮮為人知的地區。“這可能會對這些獨特的地方性海洋群落產生非常重大的重組影響，”佛羅里達理工學院墨爾本分校的海洋生物學家理查德·阿倫森 (Richard Aronson) 說，他是一個在 2010 年 12 月在南極洲大陸架的另一部分發現螃蟹的團隊的成員。“這真是一件令人著迷的事情，”他說。“有點可怕，因為這是氣候變化非常明顯的足跡。”
被寒冷隔絕
十多年來，阿倫森一直擔心南極洲大陸架生命的脆弱性。1994 年 12 月，他花了整個月的時間在南極半島東北邊緣的西摩島採集化石。島上光禿禿、搖搖欲墜的山丘包含了古代海底的遺蹟。在風蝕暴露的 200 米厚的層狀岩石和化石中，阿倫森看到了南極洲歷史上最關鍵事件的證據：大約在 4000 萬年前開始的南極洲與南美洲的最終分離。這一事件使得環極海洋環流的出現成為可能，環極海洋環流將南極洲與更溫暖的空氣和更溫暖的水團隔離開來，並使其陷入永恆的冬季。阿倫森和他的學生分析了突然降溫前後的 10,000 塊化石，一種引人注目的模式出現了。
隨著溫度下降，海底盛開著軟體棘皮動物——包括海星、海蛇尾、海百合和海參等無脊椎動物。與此同時，化石海星和海百合手臂上由螃蟹或鯊魚造成的擠壓傷變得罕見——這證明這些捕食者正在減少。
螃蟹和龍蝦可能被生理上的怪癖排除在外。在低於約 1 °C 的溫度下，它們變得無法調節體液中的鎂，導致麻醉、笨拙和呼吸麻痺。目前在南極洲大陸架發現的大約 100 種魚類物種中的大多數屬於同一個亞目，其成員進化出防凍蛋白，以保持血液在零度以下溫度下的流動，然後多樣化以填補寒冷海域中的大多數生態位。它們缺乏強大的下顎。
結果是一個讓人想起 3.5 億年前的生態系統，其中頂級捕食者是行動緩慢的無脊椎動物，如海星、海蜘蛛和絲帶蟲。“所有這些東西都帶有非常古生代的味道，”阿倫森說。阿拉巴馬大學伯明翰分校的海洋生物學家詹姆斯·麥克林托克 (James McClintock) 說，自然選擇的放鬆讓物種失去了天然的盔甲。南極洲海底的動物“骨骼非常脆弱”，他說。“你可以拿起一隻南極蛤蜊，在手中捏碎它。”
到 2000 年代中期，阿倫森開始相信，如果南極洲海洋變暖，導致這種來自過去的生態系統蓬勃發展的生態級聯將逆轉：壓碎型捕食者將返回並造成破壞。這一預測現在正在接受檢驗。
在南極洲上空的大氣變暖和臭氧層空洞的驅動下，西風正在加強，環極環流正在加劇。這些變化正在將來自南大洋 4000 米深處的溫暖、稠密、含鹽的海水從大陸架邊緣抬升上來。
紐約州帕利塞茲拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的海洋學家道格拉斯·馬丁森 (Douglas Martinson) 記錄了南極半島西側螃蟹入侵的這一過程。馬丁森在瑪格麗特海槽周圍安裝了五個溫度和海流感測器——瑪格麗特海槽是過去冰河時代冰川推進到大陸架邊緣時在海底雕刻出的一個深峽谷。這些繫泊裝置捕捉到一個潛在的程序：當環極環流掠過南極洲大陸架邊緣時，它正面撞上了海槽的陡峭壁面。大約每週一次，一個包含 100 立方公里暖水的漩渦從碰撞中飄上來，溢位到大陸架上。馬丁森說，同樣的事情也發生在其他地方：“看起來這在所有橫跨大陸架的峽谷中都會發生。”
這種入侵水的溫度只有約 1.8 °C——但對於通常在 1 至 −2 °C 之間的海洋區域來說，這種影響是巨大的。紐約州克林頓漢密爾頓學院的海洋地質學家尤金·多馬克 (Eugene Domack) 說，這種入侵似乎只是最近才開始的，他領導了 2010 年前往帕爾默深淵的考察航行。
多馬克透過測量從大陸架採集的深海珊瑚中的放射性碳 14 的含量，成功地確定了入侵的開始時間——這個過程類似於讀取樹木年輪。珊瑚在被挖掘出來之前已經生長了 400 年。碳 14 含量在前 350 年沿著珊瑚的生長軸平穩增加，然後突然下降——表明珊瑚浸泡在碳 14 含量降低的水中。來自環極環流深處的水符合要求：它已經與大氣中的碳隔離了幾個世紀。根據這些測量結果，多馬克推斷，暖水入侵“大約在上個世紀之交，即 1920 年或 1930 年左右開始”。
根據多馬克的結果，入侵似乎是在小冰河時代結束之後開始的——小冰河時代是中世紀開始的相對寒冷的時期——但隨著人為變暖和南極洲南部臭氧損耗的加劇，入侵已經加劇。在過去 50 年中，南極半島西部的平均水溫已上升了 1 °C，並且繼續以每年 0.01–0.02 °C 的速度上升。“熱量注入正在急劇增加，”馬丁森說。“它呈指數級增長。”
入侵物種
螃蟹準備隨著暖水入侵的第一個證據出現在 2007 年初。英國南安普頓大學的海洋生態學家斯文·薩特耶 (Sven Thatje) 發射了一艘遙控潛水器，繪製南極半島外坡海底冰川槽的地圖。但它的攝像機也捕捉到了13 只帝王蟹 (Paralomis birsteini)，深度在 1300 米到 1100 米之間。薩特耶研究了這些螃蟹的耐寒性，並得出結論，它們可能在更北部的 2000-4000 米處生存，那裡的水溫高一兩度——“但後來我們甚至在大陸坡上發現了它們”，僅在大陸架下方 500 米處，他說。“這些螃蟹在 1 °C 的溫度下茁壯成長。它們基本上處於我預期的生理極限。”
但是，史密斯在帕爾默深淵（距大陸架邊緣 120 公里）發現Neolithodes yaldwyni帝王蟹，證明了真正的入侵。在南極半島西部，冷水位於暖水之上。為了從外海到達帕爾默深淵，螃蟹或幼蟲必須穿過相當於海底 450 米的寒冷高山隘口，然後才能定居在 800-1400 米深的帕爾默深淵。
2010 年 12 月，薩特耶與阿倫森和麥克林托克合作，返回南極洲，並在瑪格麗特海槽口附近的大陸坡上上下拖曳了一艘潛水器。遙控潛水器追蹤了 100 公里的海底，拍攝了 15 萬張照片，顯示在水下 2300 米到 830 米之間有數百隻P. birsteini螃蟹。“如果你推斷，”麥克林托克說，“我們談論的是數百萬只螃蟹。”
螃蟹入侵可能在十年前或二十年前就開始了。當史密斯重新檢查 1998 年在帕爾默深淵底部拍攝的照片時，他看到了泥土中明顯的爪痕——表明至少有一些螃蟹已經存在，即使攝像機沒有捕捉到任何螃蟹。多馬克查看了早期考察航行期間在帕爾默深淵測量的 30 年水溫資料，發現海底峽谷逐漸變暖——變得越來越適合螃蟹生存。史密斯現在正在比較從帕爾默深淵取樣的螃蟹的基因序列，以及從南部海洋更北部、更溫暖的水域採集的螃蟹的基因序列。來自這些實驗的資料應該有助於他確定螃蟹的起源和到達日期。
但即使不知道入侵的確切歷史，其影響似乎也很明顯。生活在生理極限邊緣的動物通常難以生存和繁殖，但在史密斯 2011 年考察航行中採集的 27 只螃蟹中，有 19 只被證明是攜帶幼蟲或卵的雌性。“這個種群正在瘋狂繁殖，”他說。“它可能會留在這裡並擴張。”隨著冷水層在未來 10 年或 20 年內繼續抬升，螃蟹可能會從帕爾默深淵和瑪格麗特海槽溢位——並殖民 400-600 米深的更廣闊的大陸架，摧毀地方性海洋生物。
令人窒息的熱量
溫暖的海水還將為南極洲海底花園帶來其他危險。這裡的許多物種對溫度升高非常敏感。海蛇尾和其他無脊椎動物的新陳代謝非常緩慢——這是對冷水的適應——並且只有微薄的吸收和運輸氧氣的能力。“那麼，如果天氣變暖，它們的新陳代謝率加快了，這些傢伙會怎麼做呢？”劍橋英國南極考察處的生物學家勞埃德·佩克 (Lloyd Peck) 問道，他一直在水族館變暖實驗中監測這些生物。它們的需氧量超過了鰓的供應能力——它們慢慢窒息。
佩克研究的二十幾個南極洲物種中，大約有一半似乎在比目前夏季最高溫度高 2 °C 的水中生活得很好——但其餘的似乎會受到影響。“我們認為將首先 [消失] 的物種中至少有兩個可能會給生態系統的平衡帶來問題，”他說。這些物種是南極蛤 (Laternula elliptica) 和淺水海蛇尾 (Ophionotus victoriae)，這兩種都是主要的物種，它們吃掉從上方掉下來的死亡浮游生物和其他有機垃圾，並將其轉化為生物質，從而為海底的一切生物提供食物。但即使在比目前夏季最高溫度高 1 °C 的溫度下——這種溫度可能會在 50-100 年內變得普遍——這些物種要麼死亡，要麼變得極其遲緩。
如果溫度升高導致海蛇尾和蛤蜊消失，那麼更多的下沉碎屑可能會被微生物消耗，而不是轉化為可食用的生物質——這意味著海底總體上可以維持的動物會更少。或者，濾食性海綿可能會大量繁殖以填補生態位。無論哪種方式，食物鏈上游支援的物種組合可能不再包括大量古老的捕食者，如海星、絲帶蟲和海蜘蛛。
德國不來梅港阿爾弗雷德·韋格納極地和海洋研究所的海洋生態學家朱利安·古特 (Julian Gutt) 讚賞史密斯對螃蟹的研究，但對甲殼類動物是否是這個破壞性難題的新組成部分，還是長期存在的固定因素，持最終判斷。他說，重複調查顯示螃蟹正在隨著時間的推移擴大其據點，這將證實入侵。“但如果它們進入新的棲息地，一些嚴重的影響很可能發生”。
阿倫森表示，他將密切關注這種情況發生的跡象。根據他的經驗，樂觀是不有道理的。“每次我們預測我們認為未來 50 年會發生什麼，然後砰的一聲，10 年後，它就在那裡，”他說。“所以我認為這種情況的發生速度將比我們這些保守的科學家習慣預測的要快。”