I gemelli, in biologia (rimanendo nel caso della specie umana), sono gli individui nati durante lo stesso parto, anche se non nello stesso istante. L'incidenza delle gravidanze gemellari per la donna è dell'1-2% circa sul totale perché solitamente la donna ha gravidanze singole. Il caso di gravidanze multiple oltre i due gemelli è ancora più raro, e si verifica solitamente in particolari condizioni.

Gemelli monovulari e gemelli biovulari I gemelli si differenziano per la loro origine, cioè per le modalità della fecondazione prima e della suddivisione cellulare dello zigote poi, e possono essere di due tipi, denominati monozigoti e dizigoti.

Gemelli monozigoti (o monovulari) I gemelli monozigoti (detti anche gemelli monovulari, o omozigoti, o semplicemente gemelli identici) derivano da una singola cellula uovo fecondata da un solo spermatozoo. Durante le prime fasi della moltiplicazione cellulare avviene la separazione dell'unica massa di cellule presente in quel momento in due masserelle separate, dette morule. I gemelli monovulari possono condividere la stessa placenta (gemelli monovulari monocoriali) o possono sviluppare due placente distinte (gemelli monovulari bicoriali).

I due gemelli risultano di sesso uguale e fortemente somiglianti nell'aspetto (avendo in particolare gli stessi occhi e capelli), dato che gli individui che originano da questo evento casuale possiedono un identico patrimonio genetico. È tuttavia possibile che i sessi siano diversi nel caso in cui si ha mosaicismo: per esempio quando durante la divisione dell'ovulo il cromosoma Y viene a mancare in uno dei due gemelli originariamente maschi, dando così un individuo X0, ovvero una femmina affetta dalla sindrome di Turner con lo stesso DNA del gemello, oppure quando si creino condizioni in cui uno dei gemelli presenta in mosaico una trisomia e l'altro una monosomia risultante in due diversi fenotipi patologici dipendenti dalla proporzione delle cellule con tale disturbo.

Questi casi vengono studiati molto attentamente, rappresentando l'unico caso di identità genetica umana naturale, cioè di uguaglianza, fra individui distinti, di genotipo e DNA. Questa situazione permette di capire quanto l'ambiente influisca sullo sviluppo del comportamento di un individuo rispetto al patrimonio genetico. Le differenze che si possono riscontrare, oltre a quelle citate prima, sono le seguenti:

mutazioni somatiche: durante la vita essi accumulano delle mutazioni che dipendono sia dall'ambiente che circonda ciascun gemello sia da mutazioni casuali (sporadiche); dermatoglifi: differiscono per le creste delle impronte digitali; inattivazione cromosoma X (femmine): i gemelli di sesso femminile possono disattivare in modo diverso l'uno o l'altro cromosoma X.

Gemelli dizigoti (o biovulari) I gemelli dizigoti (detti anche gemelli biovulari, o eterozigoti, o cosiddetti "gemelli diversi") sono più comuni, assommando circa ai 2/3 di tutti i parti gemellari. Derivano dalla fecondazione di due diverse cellule-uovo da parte di due diversi spermatozoi, quindi originano da due zigoti diversi.

I gemelli dizigoti sono quindi fratelli che condividono l'utero materno durante lo stesso periodo di gravidanza. Possono essere diversi anche notevolmente tra loro, analogamente a quanto accade tra i comuni fratelli nati in parti diversi, che possono essere molto diversi tra loro per tutti i caratteri genetici e fenotipici, incluso il genere sessuale.

I gemelli dizigoti possono avere perfino padri differenti: nel caso in cui la madre abbia avuto due rapporti sessuali molto ravvicinati nel tempo con due uomini, può accadere che due distinti ovuli vengano fecondati in tempi diversi ma vicini da due spermatozoi provenienti ognuno da un differente padre, con il secondo che viene fecondato mentre il primo non è ancora stato depositato nell'utero della donna.

La fecondazione avviene per la presenza contemporanea di due ovuli nella stessa tuba, che pertanto vengono fecondati da due spermatozoi diversi. La credenza per cui il gemello che esce per primo dall'utero materno è anagraficamente più vecchio ma presenta in realtà un'età biologica minore è sbagliata, in quanto non appena un ovulo viene fecondato e si deposita nell'utero, quest'ultimo si chiude al mondo esterno, per impedire qualsiasi contaminazione del feto. Da quel momento in poi, inoltre, si interrompe nella donna il ciclo mestruale e pertanto non saranno più disponibili ovuli da fecondare fino al termine della gravidanza.

Gemelli siamesi I gemelli siamesi sono gemelli monozigoti che alla nascita presentano organi o tegumenti in comune.

L'evento è causato dalla divisione tardiva dell'embrione, dopo il tredicesimo giorno dalla fecondazione. Le cause del ritardo nella scissione, al momento, non sono scientificamente accertate, ma si ipotizza che esso sia influenzato da alcuni fattori ambientali e dall'attivazione di determinati programmi genici; tuttavia esso non sembra essere un carattere ereditario.

La nascita di gemelli siamesi è comunque un'eventualità molto rara, dall'incidenza statistica di circa 1:. In passato questa situazione portava quasi sempre a morti premature, a causa delle malformazioni degli organi interni, anche se è noto il caso di Lazzaro e Giovanbattista Colloredo, gemelli siamesi del XVII secolo che vissero diversi decenni. In tempi più recenti, invece, sono molte le coppie di gemelli siamesi caratterizzate da una ben maggiore longevità.

Le casistiche cambiano a seconda delle parti corporee dove i gemelli risultano uniti e degli organi che essi condividono, solitamente vengono distinti quelli che non coinvolgono il cuore e l'ombelico. Vengono classificati a parte quei siamesi "anomali" per i quali uno dei due embrioni è malformato o addirittura interno all'altro.

Anche attualmente non sempre è possibile separare i due individui, come dimostra il caso di Ladan e Laleh Bijani, morte durante l'intervento per separarle.

Gemelli semi-identici (bizigoti)

Un tipo di gemelli recentemente scoperto sono i gemelli bizigoti o sesquizigoti. Questi gemelli nascono da una cellula uovo fecondata da due spermatozoi. Il primo caso conosciuto è quello di due gemelli francesi nati nel 2002, un maschio e un ermafrodita (nato con entrambi i sessi), cresciuto come una donna. Il caso è stato riconosciuto ufficialmente nel 2005.

Il secondo caso è stato riconosciuto in Australia nel 2019 con due bambini bizigoti, un maschio e una femmina. Come spiegato al New England Journal of Medicine, i medici hanno prelevato dei campioni dalle due sacche amniotiche, per indagare sul genoma dei gemelli durante la gravidanza. I risultati hanno rivelato una situazione insolita: i gemelli erano semi-identici, poiché due spermatozoi avevano fecondato un singolo ovocito. Uno spermatozoo conteneva un cromosoma X nel suo materiale genetico, l'altro un cromosoma Y.

Dopo la fecondazione, i cromosomi dei due spermatozoi e del singolo ovocito si sono raggruppati in tre «pacchetti genetici»: uno conteneva cromosomi di entrambi gli spermatozoi, ovvero due gruppi di materiale genetico del padre, ma nessuno dalla madre. Gli altri due pacchetti contenevano ciascuno lo stesso set di cromosomi della madre, così come il materiale genetico di uno dei due spermatozoi, dando origine a cellule XX (femmina) o XY (maschio).

Mentre l'ovulo fecondato si divideva e il gruppo di cellule cresceva, il «pacchetto» che conteneva solo cromosomi dei due spermatozoi si è distrutto. Invece, quelli con i cromosomi sia dell'ovulo sia della cellula spermatica hanno continuato a dividersi.

Alcune delle cellule di entrambi gli embrioni contenevano due cromosomi X, mentre altre cellule contenevano un cromosoma X e un cromosoma Y. Dal momento che un gemello era maschio e l'altro femmina, il rapporto tra ciascuno di questi tipi di cellule differiva: un embrione conteneva un numero maggiore di cellule XY, mentre l'altro aveva un'alta percentuale di cellule XX.

Parti plurigemellari

Da un parto possono nascere anche più di due gemelli, nel caso che più di due feti portino a termine una singola gravidanza. In questo caso si parla di parti plurigemellari. I gemelli tra di loro possono essere gemelli identici o fraterni. I trigemini e i quadrigemini identici sono assai rari: si verificano quando, dopo la prima divisione in due di un embrione, avviene un'ulteriore divisione di uno (in caso di trigemini) o entrambi gli embrioni (in caso di quadrigemini).

Il primo caso mondiale della nascita di sette gemelli è quello degli statunitensi gemelli McCaughey, di Carlisle, nell'Iowa, nati al Medical Center di Des Moines, il 19 novembre 1997. Il primo caso mondiale di sestupli viventi è invece dei sudafricani Rosenkowitz, nati a Città del Capo l'11 gennaio 1974. Lo stesso giorno, sei anni dopo, 11 gennaio 1980, è avvenuto il primo parto esagemellare italiano (e secondo al mondo), all'ospedale Careggi di Firenze: i sei gemelli Giannini, di Soci, in provincia di Arezzo. I Giannini sono stati concepiti dopo una serie di trattamenti ormonali: Rosanna Giannini era entrata in menopausa all'età di 29 anni.

L'unico caso di parto di otto gemelli sopravvissuti all'infanzia è quello dei gemelli Suleman. Sono nati il 26 gennaio 2009 in Bellflower, California da Nadya Suleman in seguito al trasferimento di dodici embrioni. I loro nomi sono Noah, Maliyah, Isaiah, Nariyah, Jonah, Josiah, Jeremiah, e Makai (sei maschi e due femmine). La stessa donna aveva avuto in precedenza un parto esagemellare."Last of Octuplets Dead in Mexico." (March 12, 1967). The New York Times Retrieved June 30, 2007."." La Repubblica del 2 febbraio 2009.

Ci sono tre casi conosciuti di parti di nove gemelli: 13 giugno 1971 in Sydney, Australia da Geraldine Brodrick. Nessuno dei cinque maschi e quattro femmine sopravvisse. I due sopravvissuti morirono sei giorni dopo la nascita."Australian Woman Gives Birth to Nine, Seven of Them Alive." (13 giugno 1971). The New York Times."4 Still Survive in Birth of 9." (14 giugno 1971). The New York Times Retrieved June 30, 2007."Last of the Nonuplets Dies at Sydney Hospital." (20 giugno 1971). The New York Times.. 26 marzo 1999 in Malaysia da Zurina Mat Saad, nacquero cinque maschi e quattro femmine (Adam, Nuh, Idris, Soleh, Hud, Aishah, Khadijah, Fatimah e Umi Kalsom) ma nessuno sopravvisse più di 6 ore. 4 maggio 2021 in Marocco da Halima Cisse, donna maliana di 25 anni, nacquero quattro maschi e cinque femmine.

Riguardo ai parti gemellari è da menzionare Valentina Vasil'eva, la prima moglie di Fëdor Vasil'ev. È nota per essere stata la donna ad avere partorito il maggior numero di figli, ben 69. Diede alla luce 16 paia di gemelli, ebbe 7 parti trigemellari e 4 quadrigemellari fra il 1725 e il 1765, per un totale di 27 parti. Sessantasette dei suoi sessantanove figli raggiunsero l'età adulta.

Resta controverso come l'uso dell'acido folico per la prevenzione dei DTN (Difetti del Tubo neuronale) possa essere causa di gravidanze gemellari. In una ricerca sponsorizzata da un ente governativo statunitense (U.S. Preventive Services Task Force), indagine pubblicata nel 2009, si conferma l'utilità dell'acido folico nel prevenire il rischio dei DTN, mentre la valutazione del rischio di gravidanza gemellare è confusa dagli interventi (terapeutici) nei confronti dell'infertilitàT Wolff, CT Witkop T Miller, Syed SB; US Preventive Services Task Force. L'integrazione di acido folico per la prevenzione dei difetti del tubo neurale: un aggiornamento degli elementi di prova per l'US Preventive Services Task Force. Ann Intern Med. 2009 5 maggio, 150 (9) :632-9. Review. PubMed PMID 19414843..

Predisposizioni etniche