即使是最简单的细胞，其内部结构也是高度有序的：细胞的各个成分必须能够自我组装并形成高度组织化的结构，才能使细胞正常运作。而且，细胞的内容物始终处于持续运动之中。
最显而易见的运动由“马达蛋白”催化——这些酶利用 ATP 水解的能量执行多种任务，包括：将离子泵送穿过质膜、将大型复合物从一个细胞内部位置运输到另一个位置，以及推动细胞在环境中移动。
在细胞尺度上（其直径可小至 1 微米，即 10⁻⁶ 米），分子（包括水分子）的随机热运动非常显著。这种自发的运动称为热运动或布朗运动（Brownian motion），最早由罗伯特·布朗（Robert Brown）于 1827 年在显微镜下观察到——当时他看到悬浮在水中的花粉颗粒在不断地抖动。这种由随机分子碰撞引起的持续波动运动具有重要的影响。布朗运动驱动了扩散（diffusion）过程，并决定了细胞内部生化反应的速率，因为分子间的碰撞频率直接影响反应发生的速度。
尽管布朗运动是随机的，细胞仍能加以利用，使之为己所用。例如，在动物细胞的爬行迁移过程中，细胞前缘的质膜会向前延伸。这一运动并不依赖马达蛋白，而是通过细胞骨架中的肌动蛋白丝（actin filament）在膜内表面附近聚合来实现的。当质膜因热运动向前波动时，新的肌动蛋白单体会迅速填补产生的空隙，使膜无法退回原位。这种现象即为利用随机热运动来产生定向效果的过程，称为布朗棘轮机制（Brownian ratchet）。
由于处于微米尺度的物体不断受到水分子的冲击，其运动必须克服巨大的粘滞阻力。因此，当细胞内某个分子复合体（例如由马达蛋白驱动）发生定向运动时，一旦马达蛋白停止作用，这种运动便会立即终止，复合体会重新被随机的热运动所扰动。在细胞内部，不存在“滑行”式的运动。
图：《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 1–7
图中显示一条单一的肌动蛋白（actin）丝紧贴在质膜上。由于随机的热运动，质膜不断地前后波动。当质膜偶然向远离丝端的方向移动时，就会在丝端和膜之间产生足够的空间，使一个新的肌动蛋白亚基能够迅速加到丝的末端。这样稍微变长的丝就像一个棘轮一样，阻止质膜回到原来的位置。
在迁移中的动物细胞中，这种布朗棘轮机制推动膜向前突起，从而促进细胞的前进运动。
