В конце концов он подготовил большую работу, напечатанную на двух языках. Особенно полезной оказалась работа на Виллафранкской зоологической станции. В бухте Виль Франш на средиземноморском побережье Франции около Ниццы с 1884 года существовала Русская зоологическая станция, названная "Виллафранка". В год, когда там начал работать Кольцов, эта станция уже завоевала прочную международную репутацию, туда приезжали ученые из всех стран, в том числе и из-за океана, и вполне естественно получилось, что Кольцов не только успешно работал, но и подружился навсегда с молодыми учеными, ставшими вскоре лидерами биологии, признанными во всем мире, такими как Ив Делаж, К. Гербст, Ганс Дриш, Рихард Гольдшмидт, Макс Гартман, американец Эдмунд Вильсон, уже тогда известный своей книгой о роли клеточных структур в наследственности, а позже ставший признанным классиком в этой области. Вильсон, спустя несколько лет, пригласил к себе работать Томаса Моргана, Морган взял на работу в эту лабораторию Мёллера, Стёртеванта и Бриджеса, усилиями этой "могучей четверки" за считанные годы была разработана хромосомная теория наследственности, и так получилось, что уже в свои постаспирантские годы Кольцов оказался связанным с Вильсоном, провел много времени в беседах с ним, и неудивительно, что позже это помогло ему создать самобытную школу генетиков в России.
Затем он переехал в Мюнхен, где пришлось основные эксперименты проводить на снимаемой им квартире. Он сумел раздобыть микроскоп и микротом, позволявший делать срезы с биологического материала, пригодные для рассматривания в микроскоп. Кольцов был великолепным рисовальщиком, до сих пор его тончайшие рисунки наблюдавшихся в микроскоп картин поражают своей точностью. Даже в пору, когда микрофотографическая техника достигла совершенства, его рисунки конкурировали с микрофотографиями по обилию и точности деталей, по ясности отражения процессов, запечатлеваемых глазом или фотокамерой.
Вторая поездка в Европу и начало работ по физико-химии клетки
В конце 1899 года Кольцов вернулся в Москву, с 1900 года в качестве приват-доцента Московского университета начал читать первый в России курс цитологии, в 1901 году защитил магистерскую диссертацию и с 1 января 1902 года снова уехал на два года работать на Запад, сначала в Германию, а потом в Неаполь и Вилль Франш.
В Германию Кольцов привез свои препараты срезов индивидуальных клеток, стал показывать их местным светилам.
"Месяца два я работал в лаборатории Оскара Бючли в Гейдельберге, -- вспоминал Кольцов в 1936 году в книге "Организация клетки". -- Этот умный и очень интересный биолог подолгу просиживал над моим микроскопом, стараясь на разрезах во всех частях моих огромных клеток найти ячеистые структуры. Но теория ячеистой структуры Бючли меня давно не удовлетворяла. Мне казалось, что, чрезвычайно упрощая все огромное разнообразие протоплазматических структур, эта теория ничего не объясняет. Я...не хотел идти по его указке. В Киле я показывал свои препараты своему другу Ф.Мевесу (В.Флемминг уже скончался), он тоже восхищался их красотой, советовал описать их. Но я вовсе не хотел только описывать, хотел понять их организацию...
До этого времени [клетки] описывали главным образом мертвыми, на препаратах. Я... решил главное внимание обратить на эксперименты с живыми [клетками]... .
Очень скоро выяснилось, что вести работу можно, только зная основные законы физической химии" (5).
Кольцову было в то время 30 лет. В таком возрасте можно делать самые смелые расчеты на много десятков лет. Но смелости молодого ученого, замахивающегося на перечисленные выше задачи, можно было позавидовать: ведь науки физико-химии просто не существовало. Ее нужно было создать на пустом месте, и именно этим он и занялся. При этом он не делал громких заявлений, не называл свои гипотезы законами, не трубил о них на всех перекрестках, не прибегал к защите вождей страны и мира, не будоражил никого своими прозрениями. Как был в мальчишестве, так и остался до конца дней спокойным, застегнутым на все пуговицы и строгим к себе и к другим первопроходцем неизведанных до него экспериментальных полей и создателем истин совсем не очевидных.
Физико-химические эксперименты Кольцова привели к открытиям мирового масштаба -- обнаружению в 1903 году "твердого клеточного скелета", казалось бы, в нежнейших клетках. До него ученые считали, что клетки принимают свою форму в зависимости от осмотического давления наполняющего клетку содержимого. Кольцов оспорил этот основополагающий вывод и вывел новый принцип, согласно которому, чем мощнее и разветвленнее различные структуры каркаса, удерживающего форму клеток, тем больше эта форма отходит от шарообразной. Он предложил термин "цитоскелет", изучил внутриклеточные тяжи во многих типах клеток, поставил тончайшие физические эксперименты, позволявшие исследовать их разветвленность, использовал химические методы для выявления условий стабильности цитоскелета.