«Я пришёл к мысли, – писал Н.Ф. Гамалея, – что должна быть создана наука об эволюции живого вещества, или состава организмов. Я назвал эту будущую науку материологией и решил заняться собранием материалов для неё. Но сначала необходимо было владеть биохимией…» [10; 6].
Углублять свои познания в биохимии Н.Ф. Гамалея решил за границей. Пользуясь тем, что летние каникулы русских студентов весьма продолжительны, он в 1877 году зачислился слушателем Страсбургского университета (тогда это была Германия). Т.е. учиться в Страсбурге Николай должен был в летний период, когда его сокурсники по Новороссийскому университету отдыхали.
Первой поездке в Германию предшествовало трагическое событие – умер Фёдор Михайлович, отец Николая. Николай был очень привязан к отцу и крайне тяжело переживал эту потерю.
Утешение он нашёл в учёбе и работе. Начиная с лета 1877 года, Гамалея три лета подряд слушает лекции и принимает участие в семинарах известного немецкого биохимика Гоппэ-Зейлера. Посещал он занятия и по ряду медицинских дисциплин.
По предложению Гоппэ-Зейлера, Николай Фёдорович принялся за изучение влияния обильного притока кислорода воздуха на процессы брожения и гниения. Работа так и называлась – «О влиянии обильного притока кислорода на брожение и гниение». Когда экспериментальная часть работы подходила к концу, Николая срочно вызвали домой – заболела мать. Так что довести свою первую научную работу до завершения Гамалея не успел. Но Гоппэ-Зейлер, найдя труд своего ученика весьма серьёзным и заслуживающим внимания, поставил серию заключительных опытов и опубликовал результаты исследования, упомянув имя молодого автора.
Очевидно, указанная работа под руководством Гоппэ-Зейлера в какой-то степени предопределила научный путь Н.Ф. Гамалеи как микробиолога. Во всяком случае, послужила шагом в этом направлении.
В 1881 году Гамалея закончил Новороссийский университет. Ему была присвоена степень кандидата естественных наук.
Ещё занимаясь в Страсбурге, Николай решил продолжить своё медицинское образование. После окончания университета в Одессе он подал документы на поступление в Военно-медицинскую академию в Петербурге.
Как кандидата естественных наук его зачислили сразу на третий курс академии со сдачей всего одного экзамена – по анатомии. Экзамен включал практическую часть – необходимо было препарировать труп. И здесь Николаю не повезло: как выяснилось при вскрытии, труп оказался трупом брюшнотифозного больного. До вскрытия этот факт установлен не был. Гамалея заразился брюшным тифом, причём в очень тяжёлой форме, его жизни угрожала большая опасность.
Но богатырский организм «сдюжил», Николай поправился и приступил к занятиям в академии.
После смерти отца Николай Фёдорович ещё больше привязался к матери. После тяжёлой болезни Каролины Викентьевны, из-за которой Гамалея экстренно покинул Страсбург, он принял решение никогда больше с матерью не расставаться. Поэтому когда Гамалея отправился на учёбу в Петербург, Каролина Викентьевна поехала с ним.
Военно-медицинскую академию Николай Фёдорович успешно окончил в 1883 году, получив звание «лекарь с отличием». Годы, проведённые в стенах академии, пополнили его теоретические и практические навыки, значительно расширили научное мировоззрение. Всему этому способствовали занятия с такими известными медиками как Боткин, Пашутин, Терновский и ряд других. Здесь впервые Гамалея заинтересовался инфекционными болезнями, обратив внимание на чёткую периодичность развития заболеваний. Позднее появившиеся во время учёбы в Военно-медицинской академии идеи были развиты им в книге «Учение об инфекции».
По окончании академии Н.Ф. Гамалея вернулся в родную Одессу, где устроился ординатором в клинике нервных болезней О.О. Мочутковского, того самого врача-героя, который на себе испытал верность своего открытия возбудителя сыпного тифа.
Период работы в клинике О.О. Мочутковского стал решающим в определении научных интересов Гамалеи. С первых же шагов своей практической деятельности он столкнулся с потрясшими его фактами отставания лечебной помощи от требований жизни, с косностью, а иногда и невежеством в среде своих коллег.
В больницах он видел взрослых и детей, беспомощно умиравших от различных инфекционных болезней – туберкулёза, тифа, «гидрофобии», как тогда называли бешенство. Он ужасался опустошениям, которые несла холера, с тревогой узнавал о вспышках чумы в Астраханских степях. Всё больше Николай Фёдорович склонялся к тому, чтобы посвятить свою жизнь занятию микробиологией. Его вдохновляли работы Пастера, а также своего учителя – И.И. Мечникова, открывшего явление фагоцитоза. Он с радостью принимает предложение И.И. Мечникова вырастить «разводку» сибиреязвенных бацилл для продолжения его опытов с фагоцитозом, а также заняться «разводкой» туберкулёзных бактерий для использования в целях приготовления противотуберкулёзной вакцины.