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动物界的同性性行为是指已被记录的人类以外的动物同性之间、同性和异性兼有和变性行为的迹象。这些迹象包括性交、爱抚、爱慕行为、择偶倾向及幼儿监护行为。动物性行为在同物种之间也有许多不同的形式，而这些行为背后的动机和意思至今还没被人类完全了解，因为大部分物种本身也未被研究透彻。[1]
加拿大生物学家布鲁斯·贝哲米在1999年发表了一分有关检阅接近1,500个动物物种同性性行为的文献，涉及物种从灵长目到棘头动物门，对其中500个物种又有更详细的著墨。[2][3]贝哲米说道：“动物界中同性、同性异性兼有及非交配性行为的普及性与多样性都远超大部分科学学派和社会人士所愿意接受的程度。”[4]挪威动物学家Petter Bøckman就批评过往动物学家在遇上动物同性性行为时都会出于惧怕触犯人类社会的禁忌而无视或歪曲其观察结果。[5]
对于反对同性恋权利（LGBT运动）的宗教及社会团体而言同性恋在自然界的存在也是个富有争议性的题材，因为这些观测和研究成果会引起同性恋在人类社会自然而发的合理性争论[6]，亦反驳了中世纪基督教将同性恋列为“违反自然法的罪（拉丁文：peccatum contra naturam / peccatum Sodomiticum / 所多玛罪，即性悖轨罪）”。[7]当尚无明确证据时，有些评论就称同性恋是违反自然的，因为动物不会有同性性行为。 当出现明确证据时，其他人便提出以动物的行为来解释人类道德观念是不适当的。[6][8][9]
动物界同性别间的性行为现象从前未曾有过官式的大规模观测，这是因为研究员害怕同性恋研究带来的社会歧视[10]甚至是同事之间取笑。[11]乔治城大学的生物学者珍妮·曼（Janet Mann）表示：“研究这题材的学者经常被指责为制造事端，而且这些研究会受到比其他研究题材更严格的审查。”[12]
贝哲米说：“除了蚜虫属和海胆纲这些完全没有性行为的品种外，没有任何一个物种有证据显示同性性行为是不存在的，而且雌雄同体的物种都有双性恋倾向，对它们来说同性性行为并不是问题。”[11]他又指出过往观察长颈鹿时会直接将雄性嗅雌性的举动形容为性行为，但雄性间发生性高潮的肛交解释为权力、竞争或问候的表现。[11]其中贝哲米、乔娜·拉夫加登（Joan Roughgarden）、蒂埃里·罗得（Thierry Lodé）认为这些行为并不与权力宣示有必然关系，而是为了强化族群间的社交关系。[13]另外具有持久同性配偶关系的动物也不局限于一夫一妻制的物种，以绵羊为例，有8%的公羊在雌雄皆充裕的环境下还是选择雄性作伴，这些结合多年的公羊的视前区前部下丘脑（控制体温、饥饿、性欲等）的细胞组织比母羊要大得多。[14]
动物性行为通常需要消耗大量精力与时间成本，而繁衍子代可为个体带来明显好处。同性性行为虽然不能繁衍后代，却并未因不利生殖传承、不符合天择原理而消退，因此有些科学家将其称为“达尔文悖论”。对于动物同性性行为出现与演化的解释和假定有很多种：
2020 年的一篇研究论文假定同性性行为从一开始有性行为时就存在，原始动物祖先的交配行为无关性别，因此无差别交配可能为最佳的演化策略，在选择配偶时的过度区分，可能会使个体错过最佳交配机会，付出更大的成本代价。在一些物种之中，同性性行为不利群体生殖延续，而被天择汰换；而在部分物种间，同性性行为损失的繁衍成本，不至于影响群体延续，因此无差别交配并没有从该物种的演化策略中消失。[15][16]
群体中社会地位较高的个体与其他同伴的交配行为，带有表现强势地位的意涵，具有避免冲突与侵略的作用，和稳定社会阶级制度的功能。但此假定不适用于其他不具进攻关系的交配行为上，例如：爱抚、摩擦、口腔对生殖器的接触⋯⋯等。在某些灵长类动物中，交配的进攻关系与个体间的地位关系有一定相关，但亦不适用于所有物种，有时接受性交的一方也会是社会地位较高的个体。[17]
在倭黑猩猩群体中，性交行为常被视为一种缓解紧张情绪的表现，作为化解各种冲突的方式。当食物来源缺乏而产生竞争冲突，同性性行为会使弱势的一方更有机会得到食物，比仅选择异性性行为的个体获得更多优势，性交行为得到的愉悦感同时也有阻止侵略、减少敌对关系的作用。[18][19][20]
在一些较具强烈侵略性的狒狒群体中，某些伴侣中的同性性行为能为它们建立更多社会联系，强化群体间健康的社会关系。例如：雄性狒狒会以生殖器官互相接触、摩擦、握住对方生殖器抚摸、相互交配。个体以身上最脆弱的生殖部位示与同伴，就像是达成一种信任协议。在宽吻海豚群体中也观察到一样的现象，这种互动方式让个体间产生“结盟”关系,以维持雄性个体间的信任与同盟互助。[17]
关于短尾猴的研究观察指出，在繁殖季节时，处于排卵期的母猴比其他不适生育的母猴，更容易受到同性同伴以“攻”方进行交配行为。雌性个体会利用同性性行为，降低排卵期雌性猴的受孕机会，干扰其接触雄性的机会。
此假设提出同性性行为是从其他被天择出来的特性中，衍生出来的副产物，本质上没有适应环境的特殊功能。假设雄性个体有较强烈、较容易激起的性欲与性能力，它能获得的交配与繁衍子代的机会也较多，有利于物种的延续。而同性性行为可能是性欲较强的一种表现形式，虽然在演化上对个体没有明显的优势，但因为不影响物种生存的永续性，而持续保有该行为。[21]
性行为带来的愉悦感通常有助于物种延续繁衍的动机，在性行为中得到愉悦感的动物会再次寻求相同的刺激，促使繁衍的成功。在许多有关哺乳动物的研究中指出，哺乳动物和鸟类等高级脊椎动物，有感受愉悦的机制:“奖惩系统”，此系统会依据动物行为，释放能产生愉悦感的神经传导物质，参与在进食、学习、繁殖等有助于物种生存的机制中。[22]
雄性美洲野牛之间会进行爱抚和肛交，当地的美洲原住民曼丹族人会在节庆时举行仪式模仿这些野牛的行为以祈求它们在下一季回到他们的土地来。[23]
亚马逊河豚有时会以3至5条为一组进行非交配性行动，小组以雄性为主，偶尔加入一两条雌性，不分性别互相以口鼻和鳍摩擦，有时雄性更以阴茎插进另一个同性的喷气孔，这是有记录唯一的“鼻交”（相对于口交和肛交）例子。[5]
倭黑猩猩
倭黑猩猩不同于其他灵长类动物的母系社会，他们具有完全双性恋的特性，雄性与雌性倭黑猩猩都有同性交配的行为，其中约有 60%的雌性个体发生同性性行为。争夺食物资源、地盘、交配机会、有兴趣的事物⋯⋯等，任何有竞争压力的事物，都可能使倭黑猩猩以性交方式解决问题，转移竞争焦点与缓解冲突。例如嫉妒的雄性个体可能会驱赶其他雄性离开雌性，之后这两只雄性会进行阴囊摩擦、抚摸对方生殖器官的同性性行为；当幼倭黑猩猩被其他雌性猩猩攻击时，母亲猩猩会与侵略者产生冲突，并且两只猩猩会以摩擦生殖器作为化解侵略危机的方式。[18][19][20]
在纽约中央公园动物园的南极企鹅园有着数对同性“夫夫”和“妻妻”，罗伊与塞咯（Roy与Silo）是其中两只的雄性组合。他们结成一对和成功孵化了一只雌性企鹅探戈（Tango），该企鹅的原父母因为之前有过同时孵育两只蛋都失败的纪录，而被管理员将他们第二次下蛋的两只蛋中的一只交给了那对同性企鹅孵育。[6]这件事于2005年被插画家画成儿童读物——《加上探戈就是一家三口》，虽然获奖无数但这本图书因为讲述同性恋而在美国国内受到广泛非议，美国公民自由联盟以宪法第一修正案“不得制定剥夺出版自由的法律”保护它的出版权和合理收藏于公共图书馆。[24]
德国不来梅哈芬的动物园饲养的南美濒危品种企鹅发现了5对中有3对是雄性组合，他们也像罗伊与塞咯曾经以石头当作蛋来孵育。动物园为了获得新生幼儿而从瑞典引入4只雌性企鹅并拆散同性组合[25]，结果计划失败并且引来德国的同性恋权益组织抗议。[26]
荷兰阿提斯动物园（Artis Amsterdam Royal Zoo）有两只西域兀鹫（griffon vulture）总是一起筑巢、出双入对，在因缘际会下，照顾一棵被遗弃的蛋，成功将其孵化。[27]
估计约有四分之一的黑天鹅伴侣由雄性与雄性组成，或是与另一只雌性组成三人行以交配产下蛋，并在雌性产下蛋后将其赶走，由雄性黑天鹅组合育雏，雄性共同守护领地。[28]
蜻蛉目的昆虫在交配时雄性会以其泄殖腔在雌性头部留下独特的伤痕，11个品种包括豆娘和蜻蜓有20至80%的雄性的头部都发现有这种伤痕，推论出有颇高的蜻蛉目同性性行为。[29][30]
臼齿蜥科的雌性蜥蜴具有单性生殖的能力，与雄性交配则比较罕见。雌性蜥蜴为了刺激排卵而随荷尔蒙周期进行同性性行动，在雌激素浓度低时充当雄性角色，浓度高时充当雌性角色，而参加性爱抚的雌性蜥蜴都会比落单的有较高的生育率。[31]
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