В 19-м веке  путешествия все более приобретали характер научных исследований. Проводились они не случайными людьми, купцами или странниками, а лицами со специальной научной подготовкой и по продуманному плану. В эти исследования входило составление карт, изображение на них озер, рек, гор, определение их местонахождения, изучение горных пород, флоры и фауны, поверхности земли, жизни и быта местного населения. Все это составляло как бы единую специальность путешественника, которая отсутствует в нашем двадцать первом глубоко специализированном веке.

Карелин не имел университетского образования. Умение изобразить на карте поверхность земли, определить местонахождение той или иной точки, навыки топографа получил в кадетском корпусе, а также находясь на военной службе. Что же касается естественных наук, то их постигал самообразованием, которое еще по утверждению Сократа, единственно дает истинное знание. Он хорошо знал минералогию и зоологию, но все, же основной своей специальностью считал  ботанику. Область ботаники стала для него, по его собственному признанию, самым «роскошным поприщем». Он находился в переписке со многими выдающимися ботаниками России –Ледебуром, Мейером, Турчаниновым, Шиховским. Он более двадцати лет состоял в переписке с директором Санкт-Петербургского  ботанического сада Фишером. Проживая в Оренбурге, молодой ботаник добровольно, на свои средства посылал Фишеру различные растения, их семена, давал им оценку, а опытный Фишер его  консультировал. Один набирался знаний, другой даром получал новые коллекции растений. В ноябре 1829 года Фишер писал Карелину: «Опытом  зная, что собрание предметов, коими Вы по благосклонному расположению Вашему поныне снабжаете Императорский ботанический сад, сопряжено с большими издержками, как на наем людей, так и на укупорку и пр. при отправлении, то на сей предмет я за долг счел препроводить при сем 75 рублей, покорнейше прошу не поставить сие за оскорбление. Но приняв сумму сию в распоряжение свое на тот конец, Вы доставите более к обогащению Императорского  ботанического сада редкими произведениями посещаемых Вами мест».

В последующие годы, посылая собранные коллекции в Москву или Санкт-Петербург, Карелин нередко передавал право обработки экземпляров насекомых, рыб, птиц и зверушек другим, но ботанические коллекции всегда обрабатывал сам, каждому растению давал характеристику, определяя его род и вид. Нужно было обладать немалыми знаниями, чтобы из тысяч различных видов растений, определить место вновь найденного, установить признаки его новизны.

Карелин хорошо изучил степи и горы от Урала до верховьев Тобола и берегов Каспия, но постоянно стремился расширить границы страны своего  творчества. Каждый год он прибавлял к ней все новые территории. В начале 1839 года он подал в Московское  общество испытателей природы проект-заявку путешествия в северо-западную русскую Америку и  Калифорнию с целью исследования известных и малоизвестных земель. В мае проект был рассмотрен и отклонен. Карелину было предложено заняться исследованием Азиатского материка, в частности Алтая.

Общество брало путешествие на содержание, но взамен необходимо было давать ежемесячные отчеты о путешествии и через каждые два месяца присылать собственные коллекции. От поездки на Алтай Карелин отказал по причине его достаточной изученности Ледебуром, Мейером, Бунге, Геблером, но предложил изучить малоизвестный  Малый Алтай, откуда «берет начало река Чуя», а затем Саянский хребет и территории на границе с Китаем до озера Косоголя. При этом просил от общества большей свободы в выборе маршрута путешествий. Общество дало согласие, и в марте 1840 года Карелин отправился в дальний путь через Петропавловск, Семипалатинск и далее на юг к горам Алтая, Нарыма и Тарбагатая. В его экспедицию входили студент Петербургского университета Иван Кирилов, потомок Кирилова, основателя Оренбурга, ученик  известного ботаника-ученого Турчанинова, охотник и коллектор Г.А.Масленников и Григорий Караулов – препаратор-чучельник и повар экспедиции. Все были при деле, все имели свои обязанности.

Первыми на пути встали горы Аркат. Страницы дневников Карелина, наряду со сжатыми скупыми строчками о  пройденных  местах испещрены, как луговое поле степными цветами, латинскими названиями встреченных и собранных ими в пути растений. Наряду с этим  в дневнике можно увидеть  записи о казахах-кочевниках, их жизни, свидетельства их дружелюбия и гостеприимства, которые неизменно сопровождаются обязательным угощением кумысом, баурсаками, казахским чаем.

Из дневника Карелина: «На солонцовой равнине старшина Турпан дал в кунак шесть баранов. Правитель Туминской волости султан  Осман Джанаев прислал старшину Коджаса с поздравлением». И далее: «Накануне приезжал султан Осман. Прислал теленка и десять баранов». И тут же: «Киргизы пашут плохими средствами. На кривом суку воткнуто железо – соха. Обрубок бревна – борона, чтобы не загребать, а укатывать после посева землю…».

Казахи нередко помогают ему поймать редкую птицу или животное. В дневнике читаем: «Киргизец Батырбек, один из вожаков, поймал руками на гнезде самку новой породы тетерева. По–киргизски был вознагражден. Просьба о порохе и посылке четырех охотников с обещанием добыть архаров».

В мае экспедиция Карелина совершает походы по Южному Алтаю вдоль рек Малый Нарын, Теректы, Чегерак-Асу, Караколь. Всякое путешествие сопряжено с риском, но в особенно в горах. Вот лишь один эпизод: «27 мая. Шли в ущелье вверх по речке Чегерак-Асу, которую переезжали 22 раза. Ущелье очень узкое, сжатое между двумя  стенами утесов, из которых повсеместно торчат и висят ужасной величины камни хлоритового сланца. Во многих местах лежат толщи снега, под которыми  стремительная речка пробила своды, с ревом и клокотанием падая на утес величественными каскадами. Не было иного средства, как переходить по этим снеговым черепам. К счастью верблюды перешли благополучно…». Там же: «Казаки и киргизы трудились примерно, разворачивая каменья и лопатами расчищая снеговые обвалы…Верблюды обрезали себе ноги, но привычные киргизские лошади бодро, хотя и с напряжением всех сил, взбирались, цепляясь за каждый камень …».

Сколько таких троп было на пути экспедиции Карелина, сколько опасностей пришлось преодолеть ему ради науки! К концу июля Карелин возвратился в Семипалатинск для отправления Московскому обществу испытателей природы ящиков с «предметами естественной истории» и тут же снова отправляется в путешествие. На этот раз экспедиция Карелина исследовала Нарынский хребет вдоль реки Теректы, собирает произведения естественной истории, по «крутизнам между стремнинами и пропастями» поднимается на вершину Джайдик и спускается на южные склоны.

Кирилов совершил поездку  к озеру Коп-Зайсан и по Черному Иртышу в Китай, где видел стадо диких лошадей, тех самых, которые спустя десятилетия назовут  «лошадьми Пржевальского». Препаратор Масленников совершил поход к  вершинам рек Чарыш и Чуя за зверьками, которые к тому времени уже начали «украшаться   лучшими своими одеждами». В августе – сентябре Карелин исследует хребет Тарбагатай, его многочисленные горные реки – Каракол, Курчум, Тебеске, Джигорма, Талды и другие. Здесь с вершины горы ему открылся увенчанный вечными снегами  Джунгарское Алатау (тогда его называли Семиречинским), а дальше на юго-запад – Заилийское Алатау, Кунгей-Алатау, Терскей–Алатау.

Карелин вспомнил, как сверкали огнем глаза Александра Гумбольдта, когда в Оренбурге он говорил о Тянь-Шане. Как тот жаждал совершить путешествие в эти поднебесные горы, приоткрыть их тайну! Отсюда они были совсем недалеко. О них Карелину много рассказывал сотник Т.В.Нюхалов. Особенно о Терскей-Алатау, о высочайшем Алатау, откуда реки текут в малоисследованный Иссык-Куль, о природе, деревьях, птицах, растениях еще  не известных европейской науке. Карелин решил, что  обязательно займется исследованием этого огромного мира гор.

1840 год был для Карелина необыкновенно деятельным и плодотворным. До самого конца года, несмотря на зиму и холода, он продолжал свои поездки и походы. В октябре из Семипалатинска пишет: «На днях возвращался из путешествия на горы Семитау, прилегающие места, и по Каркаралинскому округу за Иртышом. Цель моя была геогностическое обозрение, собирание семян и приобретения зоологические…».

В особенности трудно доставались эти самые  «зоологические приобретения». Примером может служить отрывок из письма Карелина, написанный в декабре 1840 года: «С некоторого времени проживаю я в горах Чингиз-Тау, находящихся в Киргизской степи на восток от Каркаралинского округа. Здесь занимает меня наблюдения за весьма любопытными зверями, известными под названием аркаров (архаров- В.Н.) или каменных баранов, живущих на скалах, и особенного рода неизвестной мне кошкой, имеющей короткий хвост. Мне удалось уже добыть несколько аркаров, из которых один самец весил до восьми пудов…Горной кошки добыть еще не смог, но имею большую надежду, как и при приобретении чуйских волков, которые появились в Чингизских горах недавно».

Езда здесь верховая очень затруднительная, по причине беспрестанных буранов, а приют – простая киргизская юрта, приблизиться же к аркарам в тихую погоду нет возможности. Потому что они одарены чрезвычайно тонким слухом и при малейшем шорохе скрываются. Две ночи провел я в пещере,  правда совершенно закрытой, но тем не менее беспокойной, на порядочной стуже, но развести огонь значило бы удалить аркаров. Если здоровье мне не изменит, то пущусь далее на юг за…настоящими дикими лошадьми…».

Будучи страстным собирателем «произведений природы», сильной, активной натурой. Карелин увлекал в это занятие многих окружающих людей. Из письма Г.С.Карелина обществу испытателей природы, отправленного им из Семипалатинска в октябре 1840 года узнаем: «Семипалатинский купец С.И.Самсонов, производящий обширную торговлю с Китаем. Кокандом и Ташкентом, посылает обществу любопытный аэролит. Павший 27 апреля на берегах реки Каракола у подножья Тарбагатая. Самсонов обещал обогащать коллекции общества и дал указание многим из своих приказчиков собирать разные предметы, снабдив их бумагой, спиртом, булавками, ящиками и взятой от меня инструкцией. Сверх того, несколько особ в Бухтарме, Усть-Каменогорске, Петропавловске и во всех внешних киргизских округах  вызвались споспешествовать моим изысканиям».

Близкие Г.С.Карелина подчеркивали его предельную точность и аккуратность во всем – в делопроизводстве, в собирании и тщательной подготовке многочисленных экземпляров флоры и фауны. Эти черты помогли ему достичь феноменальных результатов. Это был редкий, неудержимый по силе своей страсти собиратель «произведений природы». Разборка собранных коллекций, укупорка их в ящики, пересылка отнимали массу времени. «Все это занимает меня от раннего утра до глубокой ночи», - пишет Карелин в очередном письме обществу. И далее: «Занимаюсь теперь составлением коллекции рудных богатств Алтайского края и надеюсь успеть совершенно…».

Результаты исканий одного лишь 40-го года весьма огромны: 52 ящика отправлены Московскому обществу испытателей природы, а в ящиках – чучела редчайших животных: архара – каменного козла, кабарги, летяги, соболя, горностая, зайца колая, росомахи, косули, птиц: каменного рябчика, китайского тетерева, фазана, гриона, пегой галки, кедровки, сорокопутов, дятлов, снегирей. Одних только растений собрано 1127 видов, или 38 тысяч образчиков. Среди них  новые виды, ранее не известные описательной науке.

В феврале 1841 года  в письме в Московское общество испытателей природы Карелин просит начать публикацию в бюллетене собранного им гербария «с краткой диагнозией, в ожидании подробного описания». В отношении двух найденных им образцов он сообщает, что путешествующий от Ботанического сада г-н Шренк также мог найти оба вида, но «право старшинства  по открытию принадлежит мне. Как прежде его посетившего край Заиртышский…».

В начале марта  1845 года Карелин отправляется к генерал-губернатору Западной Сибири П.Д.Горчакову за дозволением посетить Семиречинский край. Ранее князь П.Д.Горчаков сообщил в письме Карелину, что «по случаю возникших там беспорядков и удалению за реку Или трех взбунтовавшихся киргизских племен, производящих оттуда нападения и грабежи» он разрешает совершить путешествие не ранее середины мая. Лишь после личных объяснений с П.Д.Горчаковым  Карелин получил разрешение отправиться в Аягуз и далее на юг в апреле.

Первоначально Карелин решил осмотреть месторождение редкого минерала – аширита и диоптазов в Каркаралинском округе. 15 марта он уже в пути. Каждый день заносит в дневник увиденное. Приведем из дневника лишь некоторые строки, которые касаются Центрального Казахстана. «30 марта. Пасха. В полночь Баян-Аул. Приказ. Между гранитных гор, покрытых сосновым лесом. Речка. Живописный вид. Озера. Саженная рыба сотника Андрея Ивановича Шахматова. Селение состоит из крепостенки, где приказ, и водворенных казаков, которых 47 домов. Заутреню отправляет сотник Шахматов. Приехал на квартиру, где  поп пьян и не служил. Намерение развести белок. Маралы. Тетерева. Горные рябки. Кругом медные прииски. Свинец. Шахматов сеет овес. Земли удобные. А бедность казаков от лени и пьянства…».

«31 марта, 1. 2 и 3 апреля в Баян-Ауле. Название Баян-Аул двояко: от монгольского слова баян – богатый или от киргизского бай – богатый, ян – сторож, аул – жилище».

«Каркаралы. Приказ между гранитными горами, поросшими сосновым лесом. Название от каркара – пучка перьев, которыми украшают верх верблюжьих вьюков при перекочевке хозяев, у которых девушки – дочери. На подъезде к  приказу горы увенчаны сосняком. Похожих на такие же пучки, или каркара. Другие  неправильно производят от кар – снег, и калын – толстый (глубокий снег). Горы Каркаралы и речка Каркаралинка. В третьей версте от приказа отверстие в горе, в которое  с трудом может пролезть до половины человек, там топазы дымчатого и виножелтого цветов. Маралы, волки, медведи».

В Каркаралах и прилегающих к нему окрестностях Г.С.Карелин пробыл  около трех недель. В письме Фишеру от 8 мая он пишет: «Я посетил знаменитое месторождение, находящихся в Каркаралинском округе по речке Алтын-су, что в 300 верстах на юг от Иртыша и в 550 верстах от Семипалатинска. Для общества добыл 224 штуфа диоптазов, которые пошлются из Семипалатинска в 5 ящиках, 64-68. Штуфы завернуты в верблюжий пух и переложены верблюжей шерстью…Половина кусков крупных, из которых имеются в 10 и 12 фунтов, столько же малых, но все с породою и отличными кристаллами. Диоптазовая  экскурсия подробно описана в моем журнале. Мы нашли шесть жил, из которых в одной, на углекислой извести и известковом шпате, служащих породою диоптазу, находились также медная зелень и волосистый малахит. Кроме того, из  замечательных ископаемых попадался во множестве трепел, или триполи. Диоптазовые копи находятся на границе каменноугольной формации…».

30 мая довольно многочисленная экспедиция Карелина выступила из Аягуза. Карелина сопровождает отряд из 50 казаков. Но и такое подкрепление, судя по дневнику,  не всегда помогает.

«Июня 6, 7 и 8. Дневка. Гоняли барантачей. Отбили 7 лошадей, суму и пистолет казака Туркеева, за  несколько дней перед тем изувеченного барантачами…».

Отряд двигался мимо Балхаша к Джунгарскому Алатау. Эта экспедиция вобрала в себя все, что необходимо для остросюжетного приключенческого повествования: полупустынные солонцеватые степи, плохие колодцы, фаланги и скорпионы, горы, крутые восхождения, снежные вершины, страшные спуски, тяжелые переправы через горные реки, визиты султанов, интриги, угон лошадей, усталость и гибель верблюдов, и многое другое. «Наши экскурсии подвержены затруднениям и опасностям: днем и ночью неусыпно караулим лошадей и верблюдов…».

30 июня 1841 года Карелин пишет К.Ренару в Московское общество: «Путешествие мы в текущем году совершили успешно.  Достигли вечных   льдов и снегов Алатауских гор, откуда, теперь и пишу к Вам. Многочисленность собранных предметов затрудняет меня в дороге, занимая несколько верблюдов. По этой причине должен разделить мой маленький отряд, подвергаясь беспрестанной опасности быть остановленным многочисленными шайками барантачей…

Благодарение Богу, до сих пор все шло хорошо. Коллекция зверей и птиц достигла 900-го нумера, не считая змей, амфибий, рыб и пр. Мы теперь в стране, где не только водятся, но и выводятся настоящие тигры, оставаясь тут летом и зимой. Охотники наши еще не встречались с этим ужасным животным. Но рев его мы уже слышали…».

В тот же день в письме графу Строганову Карелин пишет: Путешествие мое необыкновенно удачное. Пишу Вам с высоты 9 тысяч футов, в соседстве вечных ледников и снегов, но окруженный таким роскошным цветником редчайших и прелестнейших растений, что в первые дни, поднявшись сюда, ходил без шапки, преисполненный невольными чувствами благоговейного восторга…».

20 августа в письме К.Ренару Г.С.Карелин подвел первый итог  своего путешествия: «Продолжительный вояж мой в Заиртышский и Семиреченский  краях кончился. Я пробыл там долее. Нежели предполагал, именно же более трех месяцев. Причиной тому было обессиление и упадок верблюдов, которые не смогли выдержать долговременного пребывания  в высоких горных хребтах, вдали от солонцеватой почвы, для существования их необходимой… замедление это обратилось. Однако же, в величайшую пользу. Потому что изыскания наши увенчались самым блестящим образом. Мы приобрели до 700 штук зверей и птиц, то-есть от № 501до № 1200. огромнейшую коллекцию растений, насекомых и более 300 видов семян, так что успехи нынешнего года, которого остается еще несколько месяцев для деятельных поисков по всем  отраслям натуральной истории, превосходят прошлогодние. А касательно зоологии – втрое богаче…».

Поражаешься  неутомимой деятельности Карелина. Изо дня в день. Из месяца в месяц он находился в непрерывном движении, в непрерывном поиске, отмечая порой в дневнике лишь место своего пребывания. Многие тысячи километров – за одно  лето. И какие прекрасные результаты! «Не замедлю составить каталог растений. Которых в нынешнем (1841) году собрано и отправлено около 55 тысяч экземпляров, а с прошлогодними до 90 тысяч, не считая оставленных  мною у себя для рассмотрения», - отмечает он в письме к К.Ренару в ноябре 1841 года.

Карелин составил подробную карту маршрута своего путешествия в прилегающих к нему мест. Интересна характеристика озера Балхаш, данная им  в письме министру финансов России Е.Ф.Канкрину: «Озеро Балхаш несколько солонцевато, но отменно рыбно. При устье большой реки Или живет целое племя джалангау, которое единственный промысел есть рыбная  ловля. Из замечательных рыб две породы для ихтиологов новые: так называемая маринка и особый вид судака.

Я не имел ни времени, ни возможности хотя бы приблизительно исследовать произведения огромного озера Балхаш, тянувшегося на 400 верст длиною. Берега его вообще плоские. Большей частью окраивает их широкой каймой высокий и густой камыш – вечное поселение  тигров и басконечных стад кабанов, которые служат первым обильной пищей. Из птиц в камышах замечателен ожерельчатый фазан, в степи варварийская дрофа, а на вершинах гор – бородатый орел. Для кабинета Московского общества испытателей природы составил я богатую коллекцию из 1800 штук зверей и птиц. Растений собрано 1600 видов. Из которых более 200 совершенно новых, ботаникам неизвестных…».

Подводя итоги своего путешествия в Семиреченский край, Карелин в письме министру финансов сообщал: «Богатство и разнообразие Заиртышского края и земель, лежащих на восток по Китайской границе, достойны удивления. Я счел бы себя счастливым, если бы В.С.(Вашим сиятельством - В.Н.) благоугодно было мне дозволено продлить путешествие и на будущий год, так как срок, на который послан я по воле В.С. на иждивение Московского общества испытателей природы оканчивается в марте 1842 года».

В начале 1842 года Г.С.Карелин совершил долгожданную поездку в Красноярск к своему коллеге, ученому – ботанику Николаю Степановичу Турчанинову, с которым уже давно вел переписку. Н.С.Турчанинов занимался изучением флоры Центральной Азии и  Дальнего Востока. Он описал около ста новых родов и свыше тысячи видов растений. Ему принадлежит фундаментальный научный труд  «Байкало-Амурская флора» в трех томах. К тому же Н.С.Турчанинов занимал пост губернатора Енисейской губернии. Несмотря на занятость по службе. Турчанинов принял активное участие в обработке и систематизации обширных коллекций растений, собранных Карелиным в путешествиях 1840-1841 годов, делая критические замечания к перечню, а нередко и давая обширные описания. В письме из Красноярска Н.С.Турчанинов писал Г.С.Карелину: «Радуюсь и поздравляю Вас с найденными Вами прекрасными растениями. Круцифера в особенности чудесна. Не знаю, не нашел ли ее в прошлом году Шренк. Мейер пишет мне, что в его прошлогодней коллекции есть 6 новых родов и 75 новых видов…Жаль, что Вы  не успели пустить прежде свою. Вероятно много Ваших видов пропадет…С  губернаторством, которое мне сильно надоело, я покуда разделался и теперь занимаюсь рассмотрением прекрасной Абиссинской коллекции, собранной Шимпером».