在一个昏暗的二月傍晚，七个人聚集在“纳撒尼尔·B·帕尔默号”研究破冰船后甲板小屋里的一排电视监视器前。这艘研究破冰船在南极洲海岸外 30 公里处怠速航行，一根成人手腕粗的电缆从船尾垂下。电缆的末端，在水下 1400 米的大陆架上，一辆遥控潜水器 (ROV) 掠过海底，勘测着一片荒凉的灰色泥泞景观。传回电视监视器的这幅阴森荒凉的画面，是一个不受欢迎的发现的先兆。
在 2010 年沿南极半岛进行的为期 57 天的考察航行中，遥控潜水器访问了 11 个不同的海底地点。每次，它都发现了丰富的生命，主要是无脊椎动物：在水流中摇曳的海百合；骨瘦如柴、长着锯齿状手臂的海蛇尾；以及海猪，一种用充水腿在海底蹒跚而行的海参。但在这个地点，它们都消失了。15 分钟后，原因变得清晰：一只红色硬壳蟹，像蜘蛛一样，腿展像棋盘一样宽，匆匆进入了遥控潜水器的摄像机视野。它有条不紊地探测着泥土——右爪，左爪，右爪——寻找蠕虫或贝类。很快又出现了一只螃蟹，接着又出现了一只又一只。拥挤的小屋里爆发出 chatter 声。“它们是天然的入侵者，”夏威夷大学马诺阿分校的海洋生态学家克雷格·史密斯 (Craig Smith) 喃喃自语道。“它们是随着温暖的海水进来的。”
寒冷的温度使螃蟹远离南极海域已有 3000 万年之久。但来自海洋深处的暖水现在正在侵入大陆架，并且似乎正在改变脆弱的生态平衡。史密斯及其同事的一项分析表明，已经有 150 万只螃蟹栖息在帕尔默深渊，也就是遥控潜水器当晚正在探索的海底峡谷（参见“温暖的欢迎”）。而本地生物几乎没有防御自身的方法。“南极洲没有能咬碎硬壳的捕食者，”史密斯说。“当它们进来时，它们将消灭一大堆地方性物种。”
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研究人员担心，螃蟹数量的上升以及海水变暖的其他影响可能会不可逆转地改变一个与地球上任何其他生态系统都不相似的海底生态系统。科学家们正在竞相记录这些影响，即使他们继续探索这个鲜为人知的地区。“这可能会对这些独特的地方性海洋群落产生非常重大的重组影响，”佛罗里达理工学院墨尔本分校的海洋生物学家理查德·阿伦森 (Richard Aronson) 说，他是一个在 2010 年 12 月在南极洲大陆架的另一部分发现螃蟹的团队的成员。“这真是一件令人着迷的事情，”他说。“有点可怕，因为这是气候变化非常明显的足迹。”
被寒冷隔绝
十多年来，阿伦森一直担心南极洲大陆架生命的脆弱性。1994 年 12 月，他花了整个月的时间在南极半岛东北边缘的西摩岛采集化石。岛上光秃秃、摇摇欲坠的山丘包含了古代海底的遗迹。在风蚀暴露的 200 米厚的层状岩石和化石中，阿伦森看到了南极洲历史上最关键事件的证据：大约在 4000 万年前开始的南极洲与南美洲的最终分离。这一事件使得环极海洋环流的出现成为可能，环极海洋环流将南极洲与更温暖的空气和更温暖的水团隔离开来，并使其陷入永恒的冬季。阿伦森和他的学生分析了突然降温前后的 10,000 块化石，一种引人注目的模式出现了。
随着温度下降，海底盛开着软体棘皮动物——包括海星、海蛇尾、海百合和海参等无脊椎动物。与此同时，化石海星和海百合手臂上由螃蟹或鲨鱼造成的挤压伤变得罕见——这证明这些捕食者正在减少。
螃蟹和龙虾可能被生理上的怪癖排除在外。在低于约 1 °C 的温度下，它们变得无法调节体液中的镁，导致麻醉、笨拙和呼吸麻痹。目前在南极洲大陆架发现的大约 100 种鱼类物种中的大多数属于同一个亚目，其成员进化出防冻蛋白，以保持血液在零度以下温度下的流动，然后多样化以填补寒冷海域中的大多数生态位。它们缺乏强大的下颚。
结果是一个让人想起 3.5 亿年前的生态系统，其中顶级捕食者是行动缓慢的无脊椎动物，如海星、海蜘蛛和丝带虫。“所有这些东西都带有非常古生代的味道，”阿伦森说。阿拉巴马大学伯明翰分校的海洋生物学家詹姆斯·麦克林托克 (James McClintock) 说，自然选择的放松让物种失去了天然的盔甲。南极洲海底的动物“骨骼非常脆弱”，他说。“你可以拿起一只南极蛤蜊，在手中捏碎它。”
到 2000 年代中期，阿伦森开始相信，如果南极洲海洋变暖，导致这种来自过去的生态系统蓬勃发展的生态级联将逆转：压碎型捕食者将返回并造成破坏。这一预测现在正在接受检验。
在南极洲上空的大气变暖和臭氧层空洞的驱动下，西风正在加强，环极环流正在加剧。这些变化正在将来自南大洋 4000 米深处的温暖、稠密、含盐的海水从大陆架边缘抬升上来。
纽约州帕利塞兹拉蒙特-多尔蒂地球观测站的海洋学家道格拉斯·马丁森 (Douglas Martinson) 记录了南极半岛西侧螃蟹入侵的这一过程。马丁森在玛格丽特海槽周围安装了五个温度和海流传感器——玛格丽特海槽是过去冰河时代冰川推进到大陆架边缘时在海底雕刻出的一个深峡谷。这些系泊装置捕捉到一个潜在的进程：当环极环流掠过南极洲大陆架边缘时，它正面撞上了海槽的陡峭壁面。大约每周一次，一个包含 100 立方公里暖水的漩涡从碰撞中飘上来，溢出到大陆架上。马丁森说，同样的事情也发生在其他地方：“看起来这在所有横跨大陆架的峡谷中都会发生。”
这种入侵水的温度只有约 1.8 °C——但对于通常在 1 至 −2 °C 之间的海洋区域来说，这种影响是巨大的。纽约州克林顿汉密尔顿学院的海洋地质学家尤金·多马克 (Eugene Domack) 说，这种入侵似乎只是最近才开始的，他领导了 2010 年前往帕尔默深渊的考察航行。
多马克通过测量从大陆架采集的深海珊瑚中的放射性碳 14 的含量，成功地确定了入侵的开始时间——这个过程类似于读取树木年轮。珊瑚在被挖掘出来之前已经生长了 400 年。碳 14 含量在前 350 年沿着珊瑚的生长轴平稳增加，然后突然下降——表明珊瑚浸泡在碳 14 含量降低的水中。来自环极环流深处的水符合要求：它已经与大气中的碳隔离了几个世纪。根据这些测量结果，多马克推断，暖水入侵“大约在上个世纪之交，即 1920 年或 1930 年左右开始”。
根据多马克的结果，入侵似乎是在小冰河时代结束之后开始的——小冰河时代是中世纪开始的相对寒冷的时期——但随着人为变暖和南极洲南部臭氧损耗的加剧，入侵已经加剧。在过去 50 年中，南极半岛西部的平均水温已上升了 1 °C，并且继续以每年 0.01–0.02 °C 的速度上升。“热量注入正在急剧增加，”马丁森说。“它呈指数级增长。”
入侵物种
螃蟹准备随着暖水入侵的第一个证据出现在 2007 年初。英国南安普顿大学的海洋生态学家斯文·萨特耶 (Sven Thatje) 发射了一艘遥控潜水器，绘制南极半岛外坡海底冰川槽的地图。但它的摄像机也捕捉到了13 只帝王蟹 (Paralomis birsteini)，深度在 1300 米到 1100 米之间。萨特耶研究了这些螃蟹的耐寒性，并得出结论，它们可能在更北部的 2000-4000 米处生存，那里的水温高一两度——“但后来我们甚至在大陆坡上发现了它们”，仅在大陆架下方 500 米处，他说。“这些螃蟹在 1 °C 的温度下茁壮成长。它们基本上处于我预期的生理极限。”
但是，史密斯在帕尔默深渊（距大陆架边缘 120 公里）发现Neolithodes yaldwyni帝王蟹，证明了真正的入侵。在南极半岛西部，冷水位于暖水之上。为了从外海到达帕尔默深渊，螃蟹或幼虫必须穿过相当于海底 450 米的寒冷高山隘口，然后才能定居在 800-1400 米深的帕尔默深渊。
2010 年 12 月，萨特耶与阿伦森和麦克林托克合作，返回南极洲，并在玛格丽特海槽口附近的大陆坡上上下拖曳了一艘潜水器。遥控潜水器追踪了 100 公里的海底，拍摄了 15 万张照片，显示在水下 2300 米到 830 米之间有数百只P. birsteini螃蟹。“如果你推断，”麦克林托克说，“我们谈论的是数百万只螃蟹。”
螃蟹入侵可能在十年前或二十年前就开始了。当史密斯重新检查 1998 年在帕尔默深渊底部拍摄的照片时，他看到了泥土中明显的爪痕——表明至少有一些螃蟹已经存在，即使摄像机没有捕捉到任何螃蟹。多马克查看了早期考察航行期间在帕尔默深渊测量的 30 年水温数据，发现海底峡谷逐渐变暖——变得越来越适合螃蟹生存。史密斯现在正在比较从帕尔默深渊采样的螃蟹的基因序列，以及从南部海洋更北部、更温暖的水域采集的螃蟹的基因序列。来自这些实验的数据应该有助于他确定螃蟹的起源和到达日期。
但即使不知道入侵的确切历史，其影响似乎也很明显。生活在生理极限边缘的动物通常难以生存和繁殖，但在史密斯 2011 年考察航行中采集的 27 只螃蟹中，有 19 只被证明是携带幼虫或卵的雌性。“这个种群正在疯狂繁殖，”他说。“它可能会留在这里并扩张。”随着冷水层在未来 10 年或 20 年内继续抬升，螃蟹可能会从帕尔默深渊和玛格丽特海槽溢出——并殖民 400-600 米深的更广阔的大陆架，摧毁地方性海洋生物。
令人窒息的热量
温暖的海水还将为南极洲海底花园带来其他危险。这里的许多物种对温度升高非常敏感。海蛇尾和其他无脊椎动物的新陈代谢非常缓慢——这是对冷水的适应——并且只有微薄的吸收和运输氧气的能力。“那么，如果天气变暖，它们的新陈代谢率加快了，这些家伙会怎么做呢？”剑桥英国南极考察处的生物学家劳埃德·佩克 (Lloyd Peck) 问道，他一直在水族馆变暖实验中监测这些生物。它们的需氧量超过了鳃的供应能力——它们慢慢窒息。
佩克研究的二十几个南极洲物种中，大约有一半似乎在比目前夏季最高温度高 2 °C 的水中生活得很好——但其余的似乎会受到影响。“我们认为将首先 [消失] 的物种中至少有两个可能会给生态系统的平衡带来问题，”他说。这些物种是南极蛤 (Laternula elliptica) 和浅水海蛇尾 (Ophionotus victoriae)，这两种都是主要的物种，它们吃掉从上方掉下来的死亡浮游生物和其他有机垃圾，并将其转化为生物质，从而为海底的一切生物提供食物。但即使在比目前夏季最高温度高 1 °C 的温度下——这种温度可能会在 50-100 年内变得普遍——这些物种要么死亡，要么变得极其迟缓。
如果温度升高导致海蛇尾和蛤蜊消失，那么更多的下沉碎屑可能会被微生物消耗，而不是转化为可食用的生物质——这意味着海底总体上可以维持的动物会更少。或者，滤食性海绵可能会大量繁殖以填补生态位。无论哪种方式，食物链上游支持的物种组合可能不再包括大量古老的捕食者，如海星、丝带虫和海蜘蛛。
德国不来梅港阿尔弗雷德·韦格纳极地和海洋研究所的海洋生态学家朱利安·古特 (Julian Gutt) 赞赏史密斯对螃蟹的研究，但对甲壳类动物是否是这个破坏性难题的新组成部分，还是长期存在的固定因素，持最终判断。他说，重复调查显示螃蟹正在随着时间的推移扩大其据点，这将证实入侵。“但如果它们进入新的栖息地，一些严重的影响很可能发生”。
阿伦森表示，他将密切关注这种情况发生的迹象。根据他的经验，乐观是不有道理的。“每次我们预测我们认为未来 50 年会发生什么，然后砰的一声，10 年后，它就在那里，”他说。“所以我认为这种情况的发生速度将比我们这些保守的科学家习惯预测的要快。”