科学始于观看。最为成熟的物理学始于我们对于天象的观看，对于生物的研究也始于我们对于生命现象的观看。不过生命现象有它独特的地方，就是我们的观感对观看时所处的尺度非常敏感。例如当我们在米的尺度下来观看生命的话，就是类似大多数《动物世界》电视节目里面所看到的画面；当我们随便凑近一种生物体，用放大镜来看的话，就能够看到皮皱、毛孔、血管之类，这是另一番生命的图景；如果我们进一步拿普通光学显微镜来看生物体的话，在很多情况下，就需要对生物组织进行染色才能分辨不同的结构和细胞了，显然这又是一番生命的图景；再进一步呢，光学显微镜已经不够了，因为细胞里面的细胞器还有更加细微的结构，对于光学显微镜就有点勉为其难了，于是人们又发明了电子显微镜。但电子显微镜的局限性很大，它必须要求被观测的样品干燥，而且还要镀上金属膜，才能在电子的射击下显象。
由于生物化学以及分子生物学的发展，我们对于生命的认识，已经可以做到从分子开始，踏着尺度的梯子，往上一直连续走到传统的描述生物学和生态学。这就要求我们获得更加强大的观看分子水平的生命活动的能力，以免在从事分子生物学时，不得不象发现了玉米遗传秘密的麦克林托克那样，纯粹凭借想象如同童话角色那样的基因在蹦来跳去的。20年前物理学家发明了扫描探测显微镜技术之后，被很快引入生物学研究，立刻显示了扫描探测技术在生物学领域的独特威力，并发展了一系列的衍生技术，使得我们现在能够超越电子显微镜的局限，在水环境中实时而精细地观看生命最细微的一举一动。
扫描隧道显微镜的基本原理是利用一个人为加工到非常精细的针尖，这样的针尖的尖端一般只有几个到几十个原子，然后让这个由悬臂支撑的针尖按照预定的路线，沿着样品的表面扫描，在扫描过程当中，针尖到样品表面的距离保持在纳米量级，从而在针尖的原子和样品表面的原子之间，发生近场的相互作用，通过记录这种相互作用，同时记录针尖的空间位置变化，就可以复原样品表面的形貌。这样的成像原理跟电子显微镜迥然不同，因为电子显微镜本质上还是类似光学显微镜，只是用具有更短波长的电子束代替了光线而已。
在扫描隧道显微镜的基础上发展出来的原子力显微镜更加适宜于生物学研究，因为它能够以原子的解析度测绘样品表面的三维图像，甚至还有人用它测绘到了硅表面的原子的轨道。更加重要的是，它能够在水环境中测绘生物样品，由于生命活动总是离不开水，从而可以运用原子力显微镜实时地观看原子、分子层次的生命活动；同时它的观测成像并不需要污染样品，从而保证一点也不干扰被观测样品正在进行的生命活动。相比之下，以前的显微观测技术或者是要求样品干燥或固化，或者是要给样品添加染色剂，甚至镀膜，总之看到的都是已经停止了正常生命活动的样品，而对于处于生命系统当中的分子，如果不能抓住它在生命运动当中的鲜活形态，我们还是不能彻底理解生命在分子层次是如何进行的。
原子力显微镜为我们揭示了大量深刻的生命运动，例如把它应用于观看病毒侵袭细胞的动态过程，相比之下，电子显微镜只能提供给我们病毒颗粒的形态，它是如何侵袭活细胞的，则只能依靠我们的想象；一个成就斐然的领域是把它应用于细胞动态解剖，不仅能够让人看清楚以前感觉神秘的细胞器和亚细胞结构，例如在细胞运动当中起着至关重要作用的微管系统，还用它发现了不少新的亚细胞结构以及它们的功能，例如分泌性细胞一个非常关键的功能就是分泌囊状小泡，用原子力显微镜观测这种细胞的细胞膜表面，发现在细胞膜表面存在150纳米大小的融合孔，是对于它的分泌功能非常重要的功能性结构。而如果进一步使用具有更高分辨力的原子力显微镜，还可以测绘蛋白质分子的表面，从而能够追踪蛋白质分子的运动。由于生命的绝大部分秘密都隐藏在蛋白质身上，所以当我们能够监测到蛋白质分子实时的一举一动，岂不是拥有了把生命看透的基本能力！
要提高原子力显微镜观测生物样品的分辨能力，一个关键是减小针尖与样品之间的原子力，因为生物样品极端脆弱，稍微过分的作用力就会对样品造成破坏，从而不能得到样品的原貌。要达到这个目的，目前有两个途径，一个是从原子力显微镜发展出一种新的所谓光子力显微镜，能够更加细致地触摸生物样品的表面；另一个则是挖掘原子力显微镜技术的潜力，通过应用间断接触模式，能够有效地减轻针尖作用力对于样品的损坏。这种技术能够非常有效地应用于水环境，从而能够在对软样品最小的干扰的情况下，获得最高的分辨力。
除了获得传统的二维表面图像之外，原子力显微镜技术还可以用来获得三维图像。尽管一般的原子力显微镜能够在样品表面随着样品的起伏而起伏，从而也能够得到表面的三维图像，但是样品内部的三维结构就无法观测到了，因为针尖本身由一个悬臂支撑，这就限制了针尖进入生物样品的内部。不过最近由海德堡的欧洲分子生物学实验室发明的光子力显微镜，则很好地解决了这个问题。
这种显微镜使用激光束构成的光势阱，俘获并控制可以小至10纳米的人造小珠，由这个小珠替代针尖的角色，进入生物样品内部，当然这个小珠完全没有受到来自显微镜的机械限制，从而可以由小珠来测绘样品内部的三维图像。这种新技术还有一个特点，是小珠能够以皮牛量级的作用力解析度和微秒量级的时间解析度进行动态实时测绘，这就使得我们能够紧密追踪细胞内部的生命活动。在提高时间分辨率方面，传统的扫描隧道显微镜目前也通过改进，能够达到毫秒量级，从而扩大了它的应用范围，例如实时观测生物大分子的形变过程。
由于基于扫描原理的显微镜技术越来越多样化，这样对于生物学家来说，针对不同的问题和场合，就有了多样的选择，甚至在很多情况下，还可以把几种扫描显微镜结合起来使用，因为一个具体的生物过程往往是非常复杂的，包含了多种物理化学过程，如果要实时动态地对它进行观测，就需要多管齐下，用不同的“眼睛”来监测它。总之，扫描式显微镜越来越成为我们看透生命运动过程最主要的工具。