Konzentrationsgradienten

Ein Konzentrationsgradient bezeichnet die räumliche Veränderung der Konzentration eines Stoffes zwischen benachbarten Bereichen. Er besitzt eine Richtung, die von der Region hoher Konzentration zur Region niedriger Konzentration verläuft, und eine Stärke, die sich an ΔC/Δx messen lässt. Gradienten treten in Gasen, Flüssigkeiten und biologischen Systemen auf und treiben oft den Diffusionsprozess an, bis Gleichgewicht erreicht ist.

Die quantitative Beschreibung erfolgt oft über das Ficksche Gesetz: J = -D ∇C, wobei J der Stoffstrom, D der Diffusionskoeffizient und ∇C der räumliche Konzentrationsgradient ist. Diffusion ist der Prozess, durch den Teilchen infolge dieses Gradienten wandern, und sie kann primär durch passiven Transport ohne äußere Energiezufuhr erfolgen, sofern genügend Raum vorhanden ist.

Es unterscheidet man chemische Gradienten (nur Konzentrationsunterschiede) von elektrochemischen Gradienten (zusätzliches elektrisches Potenzial). In Zellen werden viele Gradienten durch aktiven Transport aufrechterhalten, etwa die Na+/K+-Pumpe, die Natrium- und Kaliumionen gegen ihre Gradienten transportiert. Protonengradienten in der Atmungskette treiben die ATP-Synthese; Osmose beschreibt den Wasserfluss entlang eines Gradienten durch semipermeable Membranen.

Konzentrationsgradienten sind grundlegend für vielfältige biologische Prozesse, wie Nervenleitung, Transport von Nährstoffen und Abbau von Abfällen. Sie spielen auch eine Rolle in Umweltprozessen, etwa bei Gradienten in Böden oder Gewässern. Gradientendynamik kann sich ohne ständige Energiezufuhr verringern, sodass Gleichgewichtszustände entstehen.