Os mamíferos dividem-se em três grandes grupos em relação à reprodução, embora todos apresentem sexos separados, a fecundação seja interna e as crias sejam alimentadas com leite secretado pelas glândulas mamárias da fêmea:
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monotremados - neste grupo incluem-se o ornitorrinco e o equidna, animais que põem ovos semelhantes aos dos répteis, donde nasce um minúsculo embrião que se desloca para uma bolsa, onde termina o seu desenvolvimento lambendo leite produzido pela mãe, pois não existem mamilos (ao contrário dos restantes dois grupos);
Equidna
Ornitorrinco
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marsupiais - neste grupo, onde se incluem os cangurus, entre outros, não existe placenta para nutrir o embrião durante o seu desenvolvimento no útero. Assim, ao nascer, os marsupiais não se encontram totalmente desenvolvidos. As fêmeas possuem um sistema reprodutor "duplo", com dois úteros e duas vaginas laterais.
As crias nascem através de um canal de nascimento central independente, que se forma antes de cada parto, podendo ou não permanecer aberto. Por esse motivo, em algumas espécies o pênis do macho é bifurcado.
A maioria das espécies termina o seu desenvolvimento no interior de uma bolsa externa no corpo da fêmea - marsúpio. Em muitas espécies as fêmeas acasalam novamente durante a gravidez, mas o embrião apenas se desenvolverá após a cria anterior abandonar o marsúpio - diapausa embrionária;
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placentários - este é o maior grupo de mamíferos, dominando totalmente a classe e os habitats terrestres atuais. Os ovos amnióticos são geralmente minúsculos e retidos no útero da fêmea para o desenvolvimento, com a ajuda de uma placenta que fornece fixação e nutrientes (oxigênio e alimentos). Em sentido contrário passam as excreções do embrião. Ao nascer, os placentários encontram-se num estado de desenvolvimento superior ao dos marsupiais.
Este método reprodutivo, embora implique a produção de um menor número de descendentes, permite um grande sucesso pois aumenta grandemente as probabilidades de sobrevivência dos descendentes.
O leite produzido pelas fêmeas de mamífero é muito rico em gorduras e proteínas, o que o torna altamente nutritivo, mas fornece igualmente anticorpos que ajudam o juvenil a desenvolver-se saudável. Dado que os jovens não necessitam de procurar o seu próprio alimento nas primeiras semanas, permite um início de vida mais seguro que nos outros grupos de vertebrados.
As ninhadas podem ter até 20 crias ou apenas uma, com períodos de gestação de apenas 12 dias (bandicute, um tipo de marsupial omnívoro) até 22 meses (elefante africano).
Os machos apresentam órgão copulador (pênis) e os testículos estão geralmente num escroto externo ao abdômen.
Os mamíferos comunicam ativamente entre si, seja por meio de odores produzidos pelas glândulas odoríferas (localizadas na face, patas ou virilhas), urina ou fezes, ou por posições do corpo, expressões faciais, tacto e ruído, que podem formar mensagens complexas.
A socialização tem início logo após o nascimento através de sinais entre progenitores e crias, continuando na juventude com a interação entre crias (brincadeiras). Algumas espécies apenas interagem para acasalar, mas a grande maioria forma grupos, permanentes ou temporários.
A unidade social tem várias vantagens, nomeadamente a segurança e facilidade de obtenção de alimento, mas existem outros aspectos importantes. Geralmente a gestão do espaço implica que o grupo, o casal ou o indivíduo defenda o seu território de intrusos da mesma espécie e do mesmo sexo.
Algumas espécies, como as focas ou os elefantes, os sexos vivem separados a maior parte do ano, vivendo os machos isolados ou em pequenos grupos de solteiros. Nesse caso, a concorrência para acasalar é feroz, sendo os machos melhor sucedidos os maiores, mais fortes e melhor equipados (hastes, chifres ou presas).
Outras espécies, como as zebras, formam pequenos haréns com um único macho, sendo os restantes expulsos para grupos de solteiros, a não ser que vençam o macho dominante em combate, roubando-lhe as fêmeas.
O tipo de grupo social mais complexo é formado por vários machos e várias fêmeas, e, quase sem exceção, é reservado a primatas e carnívoros sociais. Nos primatas forma-se geralmente uma hierarquia em permanente mudança, sendo os machos de posição mais elevada os primeiros a acasalar. Nos leões, os machos (geralmente irmãos) colaboram na defesa das fêmeas, não competindo pelo acasalamento. Nos lobos e mabecos, as alcateias ou matilhas são formadas por um casal alfa, o único que acasala e pelos filhos de anos anteriores, que em vez de formarem novas alcateias permanecem e ajudam a criar os irmãos mais novos.