La concentración de una sustancia es el número de moléculas presentes en un volumen dado de líquido o gas. Se produce un gradiente de concentración entre un área de alta concentración y un área de baja concentración. En la naturaleza, esto ocurre comúnmente en cada lado de un borde celular o membrana. Si las partículas pueden atravesar libremente la membrana, se lleva a cabo un proceso llamado difusión, en el que las partículas se mueven a través del gradiente de concentración con un flujo neto hacia el área de baja concentración. Este movimiento de moléculas hacia abajo del gradiente eventualmente conduce a que ambas áreas se vuelvan iguales en concentración, un estado conocido como equilibrio dinámico.
La energía térmica hace que las moléculas en líquidos y gases se muevan aleatoriamente en línea recta hasta que se encuentran con otras partículas o superficies que hacen que cambien de dirección. El proceso conocido como difusión significa que las moléculas tienen una tendencia a alejarse de áreas donde hay altas concentraciones y moverse hacia regiones menos concentradas. Los diferentes tipos de moléculas también tienden a mezclarse. Ambos procesos están en funcionamiento cuando un aroma se esparce gradualmente por una habitación, mezclándose con las moléculas de aire. Finalmente, una distribución uniforme de partículas elimina el gradiente de concentración.
En un proceso conocido como ósmosis, las moléculas parecen moverse en sentido contrario a través de gradientes, desde concentraciones de partículas bajas a altas. Esto se puede ver en los casos en que una membrana celular bloquea el paso de partículas porque son demasiado grandes. Las moléculas de agua en la solución pueden ser lo suficientemente pequeñas como para atravesar la membrana, aunque las partículas disueltas no lo sean.
Las moléculas de agua se mueven desde la región exterior de la célula, donde la concentración de partículas es relativamente baja, hacia el interior de la célula, donde hay una alta concentración de partículas. Al igual que la difusión, este movimiento reduce el gradiente de concentración entre las dos áreas. Puede describirse como una forma especial de difusión, porque las moléculas de agua realmente se mueven de un área de alta concentración de agua a un área de baja concentración de agua.
A veces, la biología celular trabaja para mover partículas activamente contra un gradiente de concentración y contra la influencia de la ósmosis y la difusión. Entran en juego los denominados mecanismos de transporte activo, como la bomba sodio-potasio. Esta bomba transporta moléculas de sodio y potasio a través de la membrana celular, asegurando que haya una alta concentración de potasio dentro de la célula y una alta concentración de sodio en el exterior. El proceso requiere ATP, una molécula especial en la que se almacena energía, que se encuentra dentro de la célula.