Зиму 1869/70 г. Богданов посвятил сдаче магистерских экзаменов, а летом 1870 г. вновь отправился вниз по Волге, чтобы исследовать птиц, населяющих ее долину. Он поплыл на лодке один. Дождливая погода, бури и ветры задержали его и заставили пересесть на пароход. Он писал выдающемуся химику и своему большому другу А. М. Бутлерову из Саратова 4 июля 1870 г.: «Относительно моей поездки по Волге могу сказать, что не ожидал встретить столько препятствий, как это оказалось на деле. Во-первых, вследствие бурь и противных ветров. .. я едва только 2-го июля добрался до Саратова; во-вторых, комаров такая пропасть, что буквально не было возможности сомкнуть глаз в тихие ночи. Все эти прелести отнимали так много времени, что я здесь продал лодку и завтра еду прямо в Астрахань, с тем чтобы ознакомиться в течение июля с волжской долиной в нижнем течении реки».[1 Арх. АН СССР, ф. 22, оп. 2, № 30, л. 1—1 об.]
Богданов подробно исследовал фауну дельты. Наблюдения, сделанные во время поездки, убедили его в еще большем разнообразии видового состава птиц волжской дельты, чем он предполагал. Он насчитал здесь до 195 видов. Но самое интересное было то, что долина Волги оказалась как бы торной дорогой, по которой проходит основной путь передвижения фауны как с юга на север, так и с севера на юг. «Некоторые представители арало-каспийской фауны по долине Волги идут так далеко на север, как нигде в Европе, — писал Богданов в своем отчете о поездке, — а фауна лесов черноземной полосы в лице некоторых ее представителей спускается по долине Волги до самого взморья» (I, 16, Протоколы, стр. 16). Впервые в русской зоогеографии устанавливался факт, что реки и их долины являются основными путями движения не только для водной фауны, но и для наземной.
Летом 1870 г. Богданов завершил сбор материала для магистерской диссертации. К весне следующего года она была закончена. Под названием «Птицы и звери черноземной полосы Поволжья, долины средней и нижней Волги» диссертация была напечатана в первом томе «Трудов Казанского общества естествоиспытателей» в 1871 г. Она представляла собою первую в России попытку историко-географического анализа фауны большого района. Богданов нарисовал картину изменений фауны Поволжья с конца третичного периода до современности, связав ее с геологическими сдвигами, происшедшими в этих местах и определившими ход процессов почвообразования и распределение растительного покрова.
По его мнению, в конце третичного периода территория Европейской России была покрыта лесными массивами более равномерно, чем теперь. Граница леса спускалась значительно южнее, охватывая часть современной области распространения чернозема. В период оледенения большая часть современной территории Поволжья была погружена под воду. В результате сильной морской трансгрессии воды сравнительно небольшого морского бассейна, располагавшегося на территории Средней Азии и юго-западной Сибири, разлились на запад, заняли всю Каспийскую котловину, территорию Северного Кавказа и Южной Украины и слились с водами Черного моря. Вследствие этого возвышенности Алтая, Кавказа и Крыма оказались отрезанными от более северных земель значительным водным пространством.
Одновременно холодные воды Северного океана спустились далеко на юг, так что под водою оказалась вся центральная часть Русской равнины. Над водой оставалась только полоса суши в виде более или менее широкого перешейка, протянутого с юго-запада на северо-восток, от Карпат к Уралу. Морская трансгрессия на юге отделила Кавказ, Крым и Алтай от Русского плато и Урала, разорвав ареалы ранее единого фаунистического комплекса на Европейско-Азиатском материке.
Под влиянием погружения низменных участков суши сухопутные животные, как степные, так и лесные, должны были отступить в глубь материка и на горные хребты, и фауна сконцентрировалась на небольших пространствах, где типы северной и умеренной полос смешались. Такую смесь фауны Богданов отметил для Уральского хребта, а позже — для Кавказа.
Правобережную часть Поволжья Богданов разделил на зоологические области. Он различал черноземную ковыльную степь на юрских отложениях, пограничные области чернозема (на севере — глинистая полоса с дубовыми и липовыми лесами, на юге — ковыльные степи на глинистых почвах), еловые леса бассейна бывшего Ледовитого моря и Арало-Каспийские степи.
Значительное место в работе Богданова отведено вопросу о происхождении чернозема. Он считал, что чернозем является продуктом трансформации остатков степной и лесной флоры.
Профессор геологии Казанского университета Н. А. Головкинский писал в рецензии на этот труд Богданова: «Результаты этой работы и вся общая часть статьи полны живого интереса не единственно для зоолога, но в равной степени и для ботаника и для геолога. Она дает читателю отчетливую картину приволжской страны, с характерными для нее географическими чертами и взаимными отношениями растительного и животного населения, картину, не ограничивающуюся фотографическим изображением настоящего, но стремящуюся схватить самый процесс стройного движения, в котором настоящее составляет один краткий момент» (I, 12, стр. 116).
Вывод М. Н. Богданова, что Ледовитое море в послетретичную эпоху простиралось по долине Волги по крайней мере до Казани, тогда как с юга Арало-Каспийский бассейн доходил примерно до устья Камы, совпал с предположениями Н. А. Головкинского и с мнением академика Яупрехта. Интересно отметить, что Богданов при этом основывался на данных зоогеографии, Головкинский — на геологическом материале, а Рупрехт — на геоботанических исследованиях. Мысль о связи между древним Арало-Каспийским бассейном и Ледовитым океаном через систему Волги разделяется и современными геологами и зоогеографами.
Работа М. Н. Богданова была представлена к защите в Петербургский университет. Она вызвала большой интерес в кругах столичных ученых. Профессор зоологии Петербургского университета К. Ф. Кесслер, основоположник зоогеографии русских рыб, писал: «Господин Богданов поставил себе задачею выяснить зависимость, в которой находятся явления жизни животных и географическое их распространение от внешних условий данной страны. Первым трудом подобного рода на русском языке было известное сочинение Н. А. Северцова „Периодические явления в жизни зверей, птиц и гад Воронежской губернии", ... но Богданов ввел в число внешних условий, влияющих на фауну данной зоологической области, новый и весьма важный фактор, а именно — относительную геологическую древность страны, оказав этим отменную услугу зоогеографии России».[2 ГНАЛО, ф. 14, оп. 3, д. 14803, л, 34 об.] Действительно, исторический подход к русской зоогеографии с учетом геологического прошлого страны впервые осуществлен М. Н. Богдановым, и в этом его большая заслуга перед русской наукой.
6 мая 1871 г. Богданов успешно защитил диссертацию и получил степень магистра зоологии.
К моменту защиты диссертации изменилось служебное положение Богданова. До июня 1869 г. он оставался прозектором кафедры зоологии. Но после смерти профессора Эверсманна Казанский университет нуждался в специалисте по зоологии позвоночных. Общий курс зоологии, который читался студентам физико-математического факультета, стал очень громоздким благодаря обилию влившихся в него новых научных фактов. Назрела необходимость разделить его на два самостоятельных курса — зоологию беспозвоночных и зоологию позвоночных (во всех русских университетах такое деление произошло во второй половине прошлого столетия).
Н. П. Вагнер видел в Модесте Богданове молодого и очень быстро растущего исследователя, и естественна была мысль о передаче ему в дальнейшем чтения курса зоологии позвоночных. По рекомендации Вагнера с 1 июля 1869 г. Богданов был зачислен на стипендию для подготовки к профессорскому званию. Оценили молодого ученого и другие профессора факультета, в первую очередь геолог Н. А. Головкинский и математик Э. П. Янишевский.
Среди профессоров было много страстных охотников. В 1868 г. по инициативе Богданова и Янишевского в Казани возникло охотничье общество, ставившее себе целью охрану дичи от чрезмерного истребления. Инициаторы, в частности, возражали против старинной «барской» псовой охоты с загонами.
Членом этого общества был и А. М. Бутлеров, с которым у Богданова сложились тесные дружеские отношения, несмотря на разницу в летах и общественном положении (один — недавно окончивший студент, второй — прославленный ученый, ректор университета).
Однако вскоре во вновь организованном обществе руководство захватили люди совсем другого направления. Проведя в почетные члены целый ряд лиц из казанского «высшего света» и заручившись их поддержкой, руководители общества перестали считаться с мнением остальных членов, по своему усмотрению распоряжались общественными средствами и полностью пренебрегали уставом. Богданов писал по этому поводу А. М. Бутлерову, находившемуся в то время в Петербурге: «Не знаю, при Вас ли было годичное заседание здешнего общества охоты, которое, то есть общество, большая часть из нас бросила. Посылаю Вам наши брошюрки (Янишевского и мою), как образчик того, что сделали немцы, заручившись поручительством почетных членов, о которых они так хлопотали... Грустно, Бригадный (дружеское прозвище, данное А. М. Бутлерову в кружке казанских охотников,— Н. Б. и Г, К.), что холопство всосалось у нас в плоть и кровь и не можем мы быть свободными людьми даже в таком деле, как охота... Написал я эту брошюрку единственно, чтобы показать немцам, что не все же мы холопы и что не всякая мерзость может пройти им даром, — и, кажется, добился цели, — немцы порядком оплеваны в общественном мнении».[3 Арх. АН СССР, ф. 22, оп. 2, № 30, л. 6 об.]