Под влиянием Н. И. Анненкова и С. П. Карельщикова Костычев проникался все большим интересом к естествознанию и главным образом к ботанике. Ко времени окончания Земледельческой школы он был уже сам «маленьким ботаником», больше всего интересовавшимся луговыми травами и древесными растениями. Но интерес Костычева к естествознанию был гораздо шире. Будущий ученый отнюдь не собирался замыкаться в пределах одной ботаники. Он настойчиво изучает также физику и химию. Правда, эти науки были поставлены в Земледельческой школе хуже, чем биологические. Быть может, это было связано отчасти с тем, что директор-ботаник меньше уделял внимания физике и химии. Но главное заключалось в том, что на небольшие средства, выделявшиеся школе Московским обществом сельского хозяйства, нельзя было создать хорошо оборудованный физический кабинет и химическую лабораторию. Поэтому физика и химия изучались в школе без постановки опытов. В существовавшей же при школе химической лаборатории не было почти никаких приборов. Стараниями лаборанта И. И. Рыбальченкова была лишь собрана «коллекция химических веществ». Тем не менее успехи Костычева по физике и химии были «очень хорошими», что было впоследствии отмечено в его свидетельстве об окончании школы.
Костычев пристрастился к чтению книг по химии. Из рассказов Карельщикова он знал, что в Московском университете, мимо здания которого на Моховой улице он с таким благоговением проходил, есть хорошая химическая лаборатория, где своими руками можно делать все те чудесные опыты, которые Павел знал только по описаниям в книгах. С помощью этих опытов можно узнать, какие вещества и в каких количествах входят в состав растений, почв, минеральных удобрений, навоза. И Костычеву страстно захотелось самому делать такие «химические опыты».
В замечательных лекциях Анненкова он заметил один большой недостаток: в них много говорилось о почвах, но об их химическом составе почти ничего не было сказано. Костычев однажды после лекции попросил у Анненкова порекомендовать ему какое-нибудь сочинение, где были бы приведены химические анализы русских почв, прежде всего чернозема. Директор рассмеялся и сказал, что такого сочинения в природе не существует, а анализы русских почв пока насчитываются единицами. «Здесь непочатый край работы, почти ничего еще не сделано», — закончил разговор Анненков. Он не предполагал, что его внимательный и серьезный не по летам собеседник сделает своими собственными руками и с помощью своих учеников множество точнейших анализов разных почв России. В то время Костычев только еще начинал овладевать тайнами химии. Многое знал пытливый юноша, но ему еще не хватало практических навыков.
В середине прошлого века в Москве существовало среднее учебное заведение, носившее громкое название: «Практическая академия коммерческих наук». Целью этой «академии» являлось «доставление детям почетных граждан, купцов и иностранцев общего и специального образования, подготовляющего к коммерческой деятельности». Практическая академия, не в пример Земледельческой школе, была богатой: материально ее поддерживало именитое московское купечество; кроме того, за обучение взималась высокая плата. Чтобы внушить скуповатым купцам уважение к академии и заставить их не скупиться, администрация академии обставила это учебное заведение с претензией на «большую науку». Академия помещалась в красивом доме, здесь были хорошо оборудованные классы и кабинеты, существовала небольшая химическая лаборатория. Однако в ней питомцы академии, готовившиеся не к научной, а к коммерческой деятельности, не работали: химическая лаборатория имела по преимуществу декоративное значение.
Одно время в Практической академии преподавал Карельщиков. Благодаря его стараниям купеческие сынки побывали в анненковских акклиматизационных садах на Бутырском хуторе, посмотрели мастерскую по производству сельскохозяйственных машин, а также посетили находившийся по соседству один из первых в России мальцевский сахарный завод. Так установился некоторый контакт между скромной Земледельческой школой и пышной Практической академией. Оба учебных заведения сближало лишь то, что они были не дворянские.
В Земледельческой школе с ее строгими порядками согласно утвержденному уставу «никаких наград и поощрений не было». Но в одном из годовых отчетов дирекции школы сказано, что лучшие ученики, которые занимаются на пятерки и четверки, «возятся в театр и на вечера в Практическую академию». Побывал здесь и Костычев, познакомился с «академиками» и узнал у них о химической лаборатории. Не без содействия Карельщикова двери лаборатории открылись для учеников Земледельческой школы. Это считалось большим событием и в глазах учеников и даже дирекции. В отчете школы за 1862 год особо подчеркнуто, что некоторые воспитанники упражнялись в химической лаборатории Практической академии коммерческих наук. Под руководством лаборанта Рыбальченкова Костычев и его товарищи ознакомились практически со свойствами кислот, щелочей и солей, пробовали сами «перегонять» некоторые вещества, «посидели» за точными весами. Костычев с помощью Рыбальченкова выделил из почвы «перегнойные вещества», растворив их в щелочи, и сделал простейший анализ некоторых удобрений.
Практика по химии оказалась неполной и к тому же вскоре была прекращена. Опыты в лаборатории очень заинтересовали Костычева. Он начинает мечтать о серьезной химической работе, все больше читает книг по химии, знакомится с трудами выдающихся русских химиков- Н. Н. Зинина, А. М. Бутлерова и других.
За годы пребывания в Московской земледельческой школе кругозор молодого Костычева очень расширился, но все же знания были еще отрывочными, несистематическими. А Костычев жадно тянулся к знаниям глубоким, к большой науке.
Больше всего внимания и времени в Земледельческой школе уделялось, естественно, сельскому хозяйству. По этому предмету, кроме теоретических занятий в зимнее время, ученики выполняли практические работы на опытном хуторе.
Основы сельского хозяйства преподавал молодой агроном Алексей Петрович Людоговский (1840–1882), воспитанник Горы-Горецкого земледельческого института, ставший впоследствии известным профессором. В вопросах агрономической науки Людоговский придерживался взглядов М. Г. Павлова, критиковал в своих лекциях трехполье, ратовал за внедрение плодопеременных севооборотов, ссылался при этом на успешные опыты их применения в России и за границей В своих лекциях Людоговский знакомил учеников с первоначальными основами сельскохозяйственного почвоведения — с наилучшими приемами обработки и удобрения почвы. Однако в этих живых и порой вдохновенных лекциях не было цельной системы, строго приноровленной к природным и экономическим условиям России. Костычев из лекций Людоговского узнавал много нового, но это были только новые факты. Теории не существовало, и Костычев это понял еще на скамье Земледельческой школы.
Большим уважением учеников пользовался директор Бутырского опытного хутора Алексей Михайлович Бажанов (1820–1889) — видный русский агроном и зоотехник. В 1856 году он защитил магистерскую диссертацию на тему «О возделывании пшеницы с описанием пород, разводимых в России». Он с успехом выращивал большие урожаи пшеницы на полях хутора, своим практическим примером сумел увлечь многих окрестных помещиков и крестьян.
Во время поездок по России А. М. Бажанов собирал местные сорта пшеницы. Он первый твердо установил, что эти сорта многочисленны, причем многие из них появились в результате приспособления к местным условиям климата и почвы. Когда ученики работали на хуторе, Бажанов показывал им свои пшеничные богатства.
«Я уверен, — говорил он, — что пшенице суждено в России великое будущее. Недалеко то время, когда рожь уступит ей первое место даже в нечерноземных районах. Но пшеница требует более высокой культуры земледелия». Вот к этому, к более высокой культуре земледелия, и призывал Бажанов учеников во время практических работ.
Алексей Михайлович очень интересовался разработкой научных основ животноводства. Он собирал материалы для своей большой работы, вышедшей в свет в 1867 году, — «Руководство к разведению, содержанию и употреблению рогатого скота. Применено к климатическим и сельскохозяйственным условиям России». Бажанов усиленно подчеркивал огромное значение местных природных и экономических условий для подбора пород скота и системы его содержания. Ученый настаивал на необходимости создания прочной кормовой базы для животноводства. Он с увлечением показывал ученикам свои великолепные посевы тимофеевки и клевера.