Он пришел к выводу, что Харьковский университет мало может ему дать для научных исследований, и, уговорив родных отправить его за границу, семнадцатилетний юноша уехал в Вюрцбург к известному в то время профессору гистологии Келликеру.
Будучи «слишком молод, слишком впечатлителен и нервен, чтобы вынести полное одиночество», он возвратился в Харьков и поступил в университет на естественное отделение физико-математического факультета.
С собой Илья привез русский перевод книги Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», опубликованный тремя годами ранее. Илья читал эту книгу с величайшим интересом и был просто очарован стройной теорией эволюционного развития. Но Мечников не только восторгался, но и вникал в каждую строчку книги. Он написал рецензию на «Естественный отбор», где критиковал некоторые его ошибочные положения.
Осенью 1863 года, неожиданно для всех, Илья подал заявление с просьбой отчислить его из университета. Никто не мог понять причин такого поступка. Все оказалось «просто»: Мечников решил ускорить процесс обучения и, подготовившись самостоятельно, закончил университетский четырехгодичный курс естественного отделения физико-математического факультета за два года! В 1864 году Мечников с отличием сдал экзамены и получил звание кандидата.
Летом 1864 года Мечников отправился на остров Гельголанд в Северном море, где изучал морских животных, пытаясь установить промежуточные звенья различных форм животного царства. Он познакомился там со знаменитым ботаником Коном и по его совету работал непродолжительное время в Гиссене у известного зоолога Лейкарта. Мечников жил в то время впроголодь, в доме рыбака, с громадным увлечением отдаваясь исследовательской работе. О результатах ее он сделал два успешных сообщения в сентябре 1864 года в Гиссене на общегерманском съезде врачей и натуралистов.
Молодой ученый очень дельно рассказал о неизвестных даже такому обществу профессоров фактах из жизни нематод — круглых червей.
Благодаря ходатайству знаменитого хирурга Н.И. Пирогова, которому было поручено тогда наблюдение за молодыми учеными, командированными за границу для приготовления к профессуре, Мечников получил заграничную командировку и государственную стипендию на два года (по 1600 рублей в год).
Это дало ему возможность работать в лаборатории Р. Лейкарта в Гиссене. Исследуя размножение некоторых круглых червей, Мечников открыл у этих животных ранее неизвестное науке явление гетерогонии, то есть чередование поколений с перемежающимися формами размножения.
В 1865 году Илья уехал из Гиссена в Неаполь. Здесь он познакомился с талантливым молодым зоологом А.О. Ковалевским и вместе с ним начал свои замечательные работы по эмбриологии.
Работа, в которой они показали, что зародышевые листки многоклеточных животных являются, по существу, гомологичными (демонстрирующими структурное соответствие), как и должно быть у форм, связанных общим происхождением, принесла им премию Бэра. Мечникову к этому времени исполнилось всего 22 года. Тогда же из-за чрезмерного перенапряжения у него стали болеть глаза. Это беспокоило его в течение следующих 15 лет и препятствовало работе с микроскопом.
В 1867 году, защитив диссертацию об эмбриональном развитии рыб и ракообразных, Мечников получил докторскую степень Петербургского университета, где впоследствии преподавал зоологию и сравнительную анатомию.
Ученый тяжело переносил свое одиночество в большом, шумном Петербурге. Единственным светлым пятном в этой трудной жизни была семья Бекетовых. Там Илья Ильич часто встречался с Людмилой Васильевной Федорович. Дружеские беседы, заботливая внимательность молодой девушки давали Илье Ильичу тепло, в котором он так нуждался. Зимой 1870 года Мечников начал читать зоологию студентам университета в Одессе. Кроме чтения курса Мечников по-прежнему занимался переводами и писал статьи.
Мечников женится на Людмиле, хотя к тому времени она уже болела туберкулезом. Нежная забота о любимой, тщательный уход и лечение, однако, не смогли улучшить состояние здоровья жены. Шли дни упорной борьбы с болезнью и нуждой.
Однако, несмотря на лечение за рубежом, жене становилось все хуже. Людмила Васильевна умерла на Мадейре 20 апреля 1873 года.
К тому же у Мечникова сильно ухудшилось зрение, что ставило под вопрос занятие наукой. Он предпринял неудачную попытку покончить жизнь самоубийством, выпив морфий. К счастью, доза морфия оказалась столь большой, что его вырвало.
Но жизнь лечит. Будучи преподавателем Одесского университета, он встретил молоденькую студентку Ольгу Белокопытову, на тринадцать лет моложе его, и полюбил вновь. В феврале 1875 года состоялась их свадьба. Когда Ольга заразилась брюшным тифом, Мечников снова попытался свести счеты с жизнью, на этот раз посредством инъекции возбудителей возвратного тифа. Тяжело переболев, он, однако, выздоровел. У Мечниковых не было детей, и после смерти родителей Ольги, ушедших из жизни друг за другом в течение года, супруги стали опекунами двух ее братьев и трех сестер.
В выборе подруги жизни Илья Ильич не ошибся. Ольга Николаевна сделала все, чтобы он смог целиком отдаться служению науке.
Одесса была идеальным местом для изучения морских животных. Мечников пользовался любовью студентов, однако растущие социальные и политические беспорядки в России угнетали его. Вслед за убийством царя Александра II в 1881 году реакционные действия правительства усилились, и Мечников, подав в отставку, переехал в Мессину.
«В Мессине, — вспоминал он позднее, — совершился перелом в моей научной жизни. До того зоолог, я сразу сделался патологом». Открытие, круто изменившее ход его жизни, было связано с наблюдениями за личинками морской звезды. Наблюдая за этими прозрачными животными, Мечников заметил, как подвижные клетки окружают и поглощают чужеродные тела, подобно тому, как это происходит при воспалительной реакции у людей. Если чужеродное тело было достаточно мало, блуждающие клетки, которые он назвал фагоцитами, могли полностью поглотить пришельца.
Лейкоциты человека и подвижные фагоциты морской звезды эмбриологически гомологичны, т.к. происходят из мезодермы. Отсюда Мечников сделал вывод, что лейкоциты, подобно фагоцитам, в действительности выполняют защитную или санитарную функцию. Далее он продемонстрировал деятельность фагоцитов у водяных блох. «Согласно этой гипотезе, — писал впоследствии Мечников, — болезнь должна рассматриваться как борьба между патогенными агентами — поступившими извне микробами — и фагоцитами самого организма. Излечение будет означать победу фагоцитов, а воспалительная реакция будет признаком их действия, достаточного для предотвращения атаки микробов». Однако идеи Мечникова в течение ряда лет не воспринимались научной общественностью.
В 1886 году Мечников вернулся в Одессу, чтобы возглавить вновь организованный Бактериологический институт, где он изучал действие фагоцитов собак, кроликов и обезьян на микробы, вызывающие рожистое воспаление и возвратный тиф. Его сотрудники работали также над вакцинами против холеры кур и сибирской язвы. Преследуемый жаждущими сенсаций газетчиками и местными врачами, упрекавшими Мечникова в отсутствии у него медицинского образования, он вторично покидает Россию в 1887 году.
Встреча с Луи Пастером в Париже привела к тому, что великий французский ученый предложил Мечникову заведовать новой лабораторией в Пастеровском институте. Мечников переехал в столицу Франции, где жил на улице Дюто, поблизости от своей лаборатории. Он был постоянно занят вопросами улучшения и расширения работы Пастеровского института, популяризации его научных трудов. 28 лет работал Мечников в институте, продолжая исследовать фагоциты.
Ученый впервые указал на значение фагоцитов при воспалении, на то, что явление фагоцитоза наблюдается во всей лестнице животного царства и что у высших животных оно присуще специальным клеткам — лейкоцитам. Сравнительно-биологический метод позволил Мечникову правильно понять причины воспалений.
«Воспаление, — писал ученый, — появляется только в животном царстве и медленно развивается, начиная с существ, имеющих мезодерму. Вначале оно ничем не отличается от простого внутриклеточного пищеварения посредством подвижных мезодермических фагоцитов. Так, у губок пищеварительная и воспалительная функция еще соединены вместе. Но вслед за окончательным отделением энтодермы от мезодермы обе эти функции разделяются. Энтодерма функционирует исключительно как орган пищеварения, а мезодерма исполняет роль защиты против вредных деятелей, по возможности переваривая их. Мезодермические фагоциты сохраняют свойство внутриклеточного пищеварения и проявляют его, сливаясь в плазмодии, или просто соединяются, образуя капсулы вокруг паразитов и других посторонних тел. Фагоцитарная реакция обнаруживается всеми мезодермическими фагоцитами. Ими бывают главным образом клетки соединительной ткани, перитонеальные элементы и клетки перивисцеральной жидкости или крови. Во всех случаях фагоциты борются с нападающим, захватывая его и переваривая».
Исследования по воспалению послужили основой, на которой Мечников создал позже свою знаменитую целлюлярную теорию иммунитета. Результаты почти двадцатилетних исследований по иммунитету Мечников представил в докладе в 1900 году на 13-м Международном медицинском конгрессе к Париже. В своем труде ученый привел исключительно много убедительных данных о соответствии, имеющемся между интенсивностью фагоцитарной реакции и степенью невосприимчивости организма к инфекции.
На богатейшем материале Мечников показал, что болезни имеются у растений и у животных на всех ступенях эволюционной лестницы и что у них имеется также врожденная или естественно приобретенная невосприимчивость, так как без последней не могло бы существовать большинство животных и растений.