La concentration d’une substance est le nombre de molécules présentes dans un volume donné de liquide ou de gaz. Un gradient de concentration se produit entre une zone de forte concentration et une zone de faible concentration. Dans la nature, cela se produit généralement de chaque côté d’une bordure cellulaire ou d’une membrane. Si les particules peuvent traverser librement la membrane, un processus appelé diffusion a lieu, où les particules se déplacent à travers le gradient de concentration avec un flux net vers la zone de faible concentration. Ce mouvement de molécules le long du gradient conduit finalement à une concentration égale des deux zones, un état connu sous le nom d’équilibre dynamique.
L’énergie thermique amène les molécules dans les liquides et les gaz à se déplacer de manière aléatoire en ligne droite jusqu’à ce qu’elles rencontrent d’autres particules ou surfaces qui les font changer de direction. Le processus connu sous le nom de diffusion signifie que les molécules ont tendance à s’éloigner des zones où il y a des concentrations élevées et à se déplacer vers des régions moins concentrées. Différents types de molécules ont également tendance à se mélanger. Ces deux processus sont à l’œuvre lorsqu’un parfum se répand progressivement dans une pièce, se mélangeant aux molécules d’air. Finalement, une répartition uniforme des particules supprime le gradient de concentration.
Dans un processus connu sous le nom d’osmose, les molécules semblent se déplacer dans le sens inverse à travers les gradients, de faibles à fortes concentrations de particules. Cela peut être vu dans les cas où une membrane cellulaire empêche les particules de passer parce qu’elles sont trop grosses. Les molécules d’eau dans la solution peuvent être suffisamment petites pour traverser la membrane, même si les particules dissoutes ne le sont pas.
Les molécules d’eau se déplacent de la région à l’extérieur de la cellule, où la concentration de particules est relativement faible, vers l’intérieur de la cellule, où la concentration de particules est élevée. Au même titre que la diffusion, ce mouvement réduit le gradient de concentration entre les deux zones. Il peut être décrit comme une forme particulière de diffusion, car les molécules d’eau se déplacent réellement d’une zone à forte concentration en eau vers une zone à faible concentration en eau.
Parfois, la biologie cellulaire travaille à déplacer activement les particules contre un gradient de concentration et contre l’influence de l’osmose et de la diffusion. Ce que l’on appelle des mécanismes de transport actifs entrent en jeu, comme la pompe sodium-potassium. Cette pompe transporte les molécules de sodium et de potassium à travers la membrane cellulaire, garantissant une concentration élevée de potassium à l’intérieur de la cellule et une concentration élevée de sodium à l’extérieur. Le processus nécessite de l’ATP, une molécule spéciale dans laquelle l’énergie est stockée, qui se trouve à l’intérieur de la cellule.