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En 1827, Ehrenberg oposita y gana la cátedra de profesor de Medicina en la Universidad de Berlín.
En 1829 acompaña a Alexander von Humboldt a través del este de Rusia hacia la frontera china. Al regreso se concentra en estudios de organismos microscópicos, que no habían sido sistemáticamente estudiados.
Durante cerca de treinta años Ehrenberg examina muestras de agua, suelo, sedimento, polvo, roca; y describe miles de nuevas especies, flagelados como Euglena, ciliadoscomo Paramecium aurelia y Paramecium caudatum, y muchos fósiles, en cerca de 400 publicaciones. Estuvo particularmente interesado en un grupo unicelular de protistasllamadas diatomeas. También estudió y nombró muchas especies de radiolaria.
Sus investigaciones originaron importantes aplicaciones de las tierras de infusorios usadas en el pulido y otros propósitos económicos; amplió notoriamente el conocimiento sobre microorganismos de ciertas formaciones geológicas, especialmente de caliza, y de acumulaciones marinas y de agua dulce. Hasta Ehrenberg se desconocía absolutamente que muchas masas rocosas se componían de diminutos animales o plantas. Demostró que la fosforescencia del mar se debe a organismos.