Die Konzentration eines Stoffes ist die Anzahl der Moleküle, die in einem bestimmten Flüssigkeits- oder Gasvolumen vorhanden sind. Zwischen einem Bereich hoher Konzentration und einem Bereich niedriger Konzentration tritt ein Konzentrationsgradient auf. In der Natur tritt dies gewöhnlich auf jeder Seite einer Zellgrenze oder Membran auf. Wenn Partikel die Membran frei passieren können, findet ein als Diffusion bezeichneter Prozess statt, bei dem sich die Partikel über den Konzentrationsgradienten mit einer Nettoströmung in Richtung des Bereichs niedriger Konzentration bewegen. Diese Bewegung der Moleküle entlang des Gradienten führt schließlich dazu, dass beide Bereiche in der Konzentration gleich werden, ein Zustand, der als dynamisches Gleichgewicht bekannt ist.
Durch thermische Energie bewegen sich Moleküle in Flüssigkeiten und Gasen zufällig in geraden Linien, bis sie auf andere Partikel oder Oberflächen treffen, die ihre Richtung ändern. Der als Diffusion bekannte Vorgang bedeutet, dass Moleküle die Tendenz haben, sich von Bereichen mit hoher Konzentration zu entfernen und sich in weniger konzentrierte Bereiche zu bewegen. Auch verschiedene Molekültypen neigen dazu, sich zu vermischen. Beide Prozesse sind am Werk, wenn sich ein Duft nach und nach in einem Raum ausbreitet und sich mit Luftmolekülen vermischt. Schließlich beseitigt eine gleichmäßige Partikelverteilung den Konzentrationsgradienten.
In einem als Osmose bekannten Prozess scheinen sich Moleküle über Gradienten in entgegengesetzter Richtung zu bewegen, von niedrigen zu hohen Partikelkonzentrationen. Dies kann in Fällen beobachtet werden, in denen eine Zellmembran Partikel am Durchtritt hindert, weil sie zu groß sind. Die Wassermoleküle in der Lösung können klein genug sein, um die Membran zu passieren, obwohl die gelösten Partikel dies nicht sind.
Wassermoleküle wandern aus dem Bereich außerhalb der Zelle, wo die Partikelkonzentration relativ gering ist, in das Zellinnere, wo eine hohe Partikelkonzentration vorliegt. Diese Bewegung verringert ebenso wie die Diffusion den Konzentrationsgradienten zwischen den beiden Bereichen. Sie kann als eine besondere Form der Diffusion bezeichnet werden, da sich die Wassermoleküle tatsächlich von einem Bereich hoher Wasserkonzentration in einen Bereich niedriger Wasserkonzentration bewegen.
Manchmal arbeitet die Zellbiologie daran, Partikel aktiv gegen einen Konzentrationsgradienten und gegen den Einfluss von Osmose und Diffusion zu bewegen. Dabei kommen sogenannte aktive Transportmechanismen ins Spiel, wie die Natrium-Kalium-Pumpe. Diese Pumpe transportiert Natrium- und Kaliummoleküle durch die Zellmembran und sorgt so für eine hohe Kaliumkonzentration innerhalb der Zelle und eine hohe Natriumkonzentration außerhalb. Der Prozess erfordert ATP, ein spezielles Molekül, in dem Energie gespeichert wird, das sich im Inneren der Zelle befindet.