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Dieses Wiki-Projekt vergleicht die Biomechanik des Menschen mit der von anderen Tieren, mit besonderem Augenmerk auf den Gang. Unterschiede und Gemeinsamkeiten werden anhand des Vogelstraußes und des Geparden herausgearbeitet. Hier kann grob in zweibeinigen Gang (Bipedie) und vierbeinigen Gang unterschieden werden. Mensch und Vogelstrauß laufen auf zwei Beinen, wohingegegen der Gepard auf vier Beinen läuft. Messbare Größen, die als Unterschiede herausgearbeitet werden können, sind: Effizienz, d.h wie viel Energie benötigt das Tier um sich eine gewisse Strecke fortzubewegen?; Schnelligkeit: Wie viel Strecke kann das jeweilige Tier in einer bestimmten Zeit zurücklegen?; Welche Besonderheiten im Körperbau besitzt das Tier um diese Effizienz, Geschwindigkeit etc. zu erreichen? Die Anatomie des Menschen unterscheidet sich teilweise sehr stark von der Anatomie, der zum Vergleich stehenden Tieren. Der Mensch ist durch seinen Körperbau auf eine vielschichtige Bewegung ausgelegt, wohingegen die Tiere, die zum Vergleich stehen, entweder Predatoren (Raubtiere) oder Fluchttiere sind. So gesehen ist der gesamte Bewegungsapparat auf die schnelle und kurzweilige Jagd (Gepard), oder die schnelle und ausdauernde Flucht getrimmt (Vogelstrauß). Das Bein der Straußen schwingt wie ein Pendel, um ein schnelles geradeaus laufen zu ermöglichen (Vgl. Schaller, 2009). Zudem ist die Energieeffizienz sehr gut (Vgl. Schaller, 2009). Der Gepard besticht vor allem durch seine hohen Geschwindigkeiten, welche sich unter anderem aus seiner flexiblen Wirbelsäule folgern (Kamimura et al., 2021). Allerdings sind diese Sprints sehr energieraubend und ineffizient (Podbregar & Lohmann, 2012). Weitere Besonderheiten und Unterschiede der Gangarten wurden im Folgenden Wiki ausgearbeitet.

Um Vergleiche zu anderen Lebewesen zu ziehen, ist es essenziell, sich mit der Biomechanik des Laufens auseinanderzusetzen. Im Folgenden wird das „Rennen“ als Synonym zum „Laufen“ verwendet. Rennen wird dabei nach Novachek Tom F. (1997) als Fortbewegungsform definiert, die eine Flugphase aufweist, nie mit mehr als einem Fuß Kontakt zum Boden hat und sich, unter hauptsächlich aerober Energiebereitstellung, über eine längere Distanz erstreckt. (Vgl. Novacheck, 1997, S.78f)

Um den Ablauf der menschlichen, laufenden Fortbewegung, mit der anderer Lebewesen - hier: Vogelstrauß und Gepard- zu vergleichen, ist eine Auseinandersetzung mit dem Laufzyklus des Menschen erforderlich.

Im Wissen, dass unterschiedliche Autoren abweichende Start- bzw. Endpunkte des Zyklus definieren (Novacheck Tom F., 1997, S.79), wird hier eine gängige, auch 1997 von Novacheck Tom F. verwendete Einteilung zugrunde gelegt. Ungeachtet des Start- beziehungsweise Endpunktes, lässt sich der Gangzyklus in zwei wesentliche Abschnitte unterteilen: Eine Standphase und eine Schwungphase (Dack, 2017). Die Standphase macht dabei ca. 40% und die Schwungphase ca 60% des Laufzykluses aus (Novacheck, 1997, S.79).

In diesem Modell beginnt ein Zyklus mit dem „initial contact“ (Novacheck Tom F., 1997, S.78), also dem Aufsetzen eines Fußes und endet auch mit dem initial contact, also dem erneuten Aufsetzen desselben Fußes (Novacheck Tom F., 1997, S.78). Der Übergang von der Stand- in die Schwungphase wird dabei als „toe of“ (Novacheck, 1997) definiert. Gemeint ist der Punkt an dem die Zehen den Boden verlassen.

Eigene Erstellung nach Novacheck, 1997, S.79 und nach MaxKinetix, 2021, min.0:18ff, https://youtu.be/1tqIvMMFjRY)

Stance Phase/Standphase: Ablauf, beteiligte Muskeln und wirkende Kräfte

Betrachtet man die Standphase im Detail, so lässt sich diese in drei Unterphasen unterteilen (Dack, 2017). Sie beginnt mit dem bereits genannten „initial contact“, geht über in den „Mid Stance“ (Dack, 2017), bevor der Abschluss mit dem erläuterten „Toe off“ erfolgt. Während der Standphase wirken erhebliche Kräfte auf den Körper, die durch intensive Muskelarbeit ausgeglichen werden müssen.

Initial contact

Der erste Teil des Zyklus, der initial contact (IC), beginnt mit dem Aufsetzen des Fußes nach einer Flugphase (Dack, 2017). Der Fußaufsatz kann entweder mit der Ferse, dem Mittelfuß oder dem Vorderfuß erfolgen (Dack, 2017). Nach Novacheck (1997, S.78) bildet der Anteil der Fersenläufer die überwiegende Mehrheit. Mit dem Erstkontakt des Fußes wird der, durch die Flugphase entstehende Fall abgebremst (Novacheck, 1997, S.79). Bei Fersenläufern muss das Bein mit diesem Kontakt das ca. zweifache Körpergewichts abfangen (Novacheck, 1997,S.85). Deshalb sind sowohl die Muskelaktivität als auch das Nettodrehmoment der Gelenke während und kurz vor bzw. nach dem IC am höchsten (Novacheck, 1997, S.80). Während dieses gesamten Vorgangs beschleunigt der Läufer negativ (Novacheck, 1997, S.79). Diese Verlangsamung reicht bis in den „Mid Stance“, die nächste Unterphase, hinein.

Mid Stance

Während sich der Körperschwerpunkt (KSP) zuvor noch hinter dem Fuß befand, ist er nun über dem Fuß. An diesem Punkt ist die Last auf dem Bein mit dem bis zu ca. dreifachen Körpergewicht am höchsten (Nocacheck, 1997, S.85). Dabei sind die Hüftextensoren die Hauptmuskulatur, um dem entgegenzuwirken. Nach diesem Punkt verschiebt sich der KSP vor den Fuß. Dabei nimmt die auf das Bein wirkende Last ab (Novacheck, 1997, S.85). Der Läufer geht von einer Entschleunigung in eine Beschleunigung über, wobei kinetische und potentielle Energie zunehmen (Novacheck, 1997, S.79).

Toe off

In der weiteren Bewegungsausführung erfolgt dann zuerst das Abheben der Ferse und anschließend wird der Körper durch das Abheben der Zehen, dem Toe off, in die Schwungphase überführt (Dack, 2017). Zum Zeitpunkt des Toe off ist die Hüftextension, also die Streckung der Hüfte, am größten (Novacheck, 1997, S.83). Die vorwärts und hochwärts verlaufende Beschleunigungsphase ist nach Novacheck (1997, S.79) an diesem Punkt noch nicht abgeschlossen, sondern setzt sich auch in der nächsten Phase fort.

Swing Phase/Schwungphase

Wie bereits erwähnt, macht die Schwungphase etwa 60% des gesamten Laufzykluses aus (Dack, 2017). Beginnend mit dem Toe off und endend mit dem Initial Contact lässt sich die Schwungphase in einen ersten und einen zweiten Teil gliedern.

Der erste Teil beinhaltet eine Flugphase. Hier wird der Körper weiterhin nach vorne und oben beschleunigt (Novacheck (1997, S.79). Gleichzeitig finden eine Hüftflexion bzw. -beugung (Novacheck (1997, S.83) und eine Knieflexion/-beugung statt (Novacheck 1997, S.86). Laut Novacheck (1997, S.87) geht die Summe der in dieser ersten Phase entstehenden Kräfte hauptsächlich auf die Hüftflexoren zurück.

Im zweiten Teil geht die positive in eine negative Beschleunigung über. Novacheck (1997, S.79) bezeichnet diesen Punkt als „Swing phase reversal“. Hier hat das Knie seinen höchsten Punkt erreicht. In Hüfte und Knie kommt es nun zu einer Extension (Novacheck 1997, S.86). Diese Streckung sorgt dafür, dass der Fuß nicht zu weit vor dem Körper aufgesetzt wird, um so einen zu hohen Geschwindigkeitsverlust zu vermeiden (Novacheck, 1997, S.38). Mit dem Aufsetzen des Fußes ist wieder der Punkt des initial contacts erreicht und der Zyklus beginnt von vorne.

Der Mensch läuft wie der Vogelstrauß auf zwei Beinen. Jedoch erreicht der Vogelstrauß wesentlich höhere Geschwindigkeiten ( bis zu 70km/h, konstant 60km/h) (Vgl. Schaller, 2009), während der Mensch maximal 45 km/h (Vgl. simplyscience, 2012) laufen kann. Das alles schafft der Vogelstrauß, obwohl sein Gewicht mit bis zu 150 kg ( Vgl. Schaller, 2009) wesentlich höher ist, als das des Menschen ( Angenommen seien 70-85kg). „Kein anderer Vogel läuft so effizient und ausdauernd wie der Vogelstrauß“ (Schaller, 2009, zitiert nach Bernhard Grzimek). Der Vogelstrauß muss also seine Energie sehr effizient und möglichst verlustfrei einsetzen (Vgl. Schaller, 2009). Um die Schnelligkeit des Straußen zu verdeutlichen, sei der Link zu einem Video eines rennenden Straußen genannt:

Wie schafft der Vogelstrauß all dies?

Anatomie des Straußen

Ein erster Unterschied lässt sich direkt beim Laufen erkennen. Der Mensch läuft auf seiner Fußsohle (Sohlengänger), der Vogelstrauß läuft auf seinen Zehen (Zehengänger) (Vgl. Schaller, 2009). Mit Blick auf das Bein erkennt man, dass der Vogelstrauß einen stark verlängerten Mittelfuß besitzt (Vgl. Schaller, 2009) und wie bei uns das Schienbein den unteren Teil des Beines bildet (Vgl. Schaller, 2009). Das Fersengelenk ist dadurch verschoben und befindet sich auf Höhe des Knies beim Menschen (Vgl. Schaller, 2009). Die Unterschenkel des Straußen liegen in etwa auf der Höhe, wo sich der menschliche Oberschenkel befindet (Vgl. Schaller, 2009). Im Vergleich zur Körpergröße besitzt der Strauß auch längere Beine, die Schrittlänge liegt bei vier Metern (Vgl. Schaller, 2009). Diese sind zudem von allen laufenden Vögeln die längsten (Vgl. Schaller, 2009). Die Muskelmasse im Bein des Straußen befindet sich am Becken und Oberschenkel (Schaller, 2009), das schwingende Bein ist dagegen sehr leicht (Schaller, 2009). Lange Sehnen bewegen es (Schaller, 2009). Das Kniegelenk des Straußen verbirgt sich unter dem Federkleid (Schaller, 2009). Bei laufenden Vögeln wirkt es, als würde das Bein „falschherum“ einknicken, also in entgegengesetzte Richtung wie beim Menschen (Vgl. Schaller, 2009)

Laufphysik

Aufgrund dieser Anatomie entsteht beim laufen eine Pendelbewegung, die beste Vorraussetztungen für einen schnellen Lauf bietet ( Vgl. Schaller, 2009). Die Bänder des Menschen stützen uns beim laufen und verhindern zum Beispiel ein Umknicken (Vgl. medlexi, o. D). Beim Geradeausrennen behindern uns die Beingelenke und es muss Energie aufgewendet werden, um unnötige Freiheitsgrade zu limitieren ( Vgl. Schaller, 2009). Die Bänder sind daran beteiligt, den Straußen auf der Strecke „geradeaus“ zu halten, sprich die Pendelbewegung des Beines und damit den Vortrieb aufrecht zu erhalten (Vgl. Schaller, 2009).

Ein weiterer wichtiger Punkt stellt die verbesserte Kraftübertragung von Zehengängern bzw. Zehenspitzengängern gegenüber den Sohlengängern dar (Vgl. Sofatutor, o. D). Durch den Gang auf Zehenspitzen spannen sich durch die Fußstellung auch Sehnen und Bänder und wirken wie ein gespanntes elastisches Band, was zusätzlich die Energieeffizienz beim Laufen erhöht (Vgl. Sofatutor, o. D). Der Vogelstrauß besitzt im Gegensatz zu den mit ihm verwandten Laufvögeln Nandu und Emu nur zwei Zehen plus Kralle, während die anderen drei Zehen plus Kralle besitzen (Vgl. Schaller, 2009). Eine Maßnahme um die Reibung beim rennen zu Verringern ist, dass der Vogelstrauß nicht nur auf den Zehen geht, sondern auf den Zehenspitzen (Vgl. Schaller, 2009). Dardurch existiert eine kleinere Auflagefläche des Fußes auf dem Boden, was den Energieverlust durch Reibung entscheidend verringert. ( Vgl. Schaller, 2009).

Schätzungsweise besitzt der Vogelstrauß eine bis zu 60% kleinere Auflagefläche als die mit ihm verwanden Laufvögel (Vgl. Schaller, 2009). Eine Kralle des Straußen berührt beim Gehen kaum den Boden. Beim Rennen jedoch, übte diesselbe Kralle einen Druck von maximal 40kg pro Quadratzentimeter aus (Vgl. Schaller, 2009). Dies bewirkt eine bessere Bodenhaftung bei hohen Geschwindigkeiten und verhindert, dass der Strauß die Bodenhaftung verliert (Vgl. Schaller, 2009).

Energieffizienz des Straußen

Aus dem oberen Abschnitt können nun wesentliche Punkte herausgearbeitet werden, welche dazu beitragen, dass der Vogelstrauß so effizient läuft. Hier sei die geringe Reibung des Fußes bei gleichzeitig sehr guter Bodenhaftung genannt, wie auch der Gang auf den Zehenspitzen, statt auf den ganzen Zehen.

Der Gepard ist das schnellste Landtier der Welt und untermauert dies mit der Fähigkeit, innerhalb von drei Sekunden auf Spitzengeschwindigkeiten von über 104 km/h beschleunigen zu können. Der schnellste Mensch der Welt, Usain Bolt, erreicht im Vergleich Spitzenwerte von 43 km/h innerhalb 4,9 Sekunden (Fath, 2015). Doch wie erreicht dieser außergewöhnliche Vierbeiner solche Spitzengeschwindigkeiten? Im folgenden Text werden zur Klärung dieser Frage die anatomischen Gegebenheiten des Geparden näher beleuchtet.

Der schnelle Galopp des Geparden

Der Gepard erreicht im schnellen Galopp seine höchsten Geschwindigkeiten. Grund dafür sind die großen Schrittlängen, welche aus der flexiblen Wirbelsäule und den langen Extremitäten folgern. Der schnelle Galopp zeichnet sich dadurch aus, dass pro Laufzyklus zwei Flugphasen identifiziert werden können. Das unterscheidet den Geparden von vielen anderen Vierbeinern, beispielsweise von Pferden, welche nur eine Flugphase in ihrer Gangart aufweisen. In der ersten Flugphase hat der Gepard eine gestauchte, in der zweiten eine gestreckte Körperhaltung. Die gestauchte Flugphase, in welcher die Wirbelsäule gebeugt ist und zu einem Buckel geformt wird, startet, nachdem der Gepard seine Vorderbeine anhebt. Dabei bewegt er sowohl die Vorderbeine als auch die Hinterbeine in Richtung seiner Körpermitte, sodass die Vorderbeine kurzzeitig von den Hinterbeinen überholt werden. Daraufhin setzt der Gepard zum Abschluss der gestauchten Flugphase seine Hinterbeine als erstes auf und leitet mit dem Abheben derselben die gestreckte Flugphase ein. Die gestreckte Flugphase zeichnet sich dadurch aus, dass die Wirbelsäule des Gepards gestreckt beziehungsweise leicht überstreckt wird. Außerdem führt er seine Beine von der Körpermitte weg, was dazu führt, dass er seine komplette Körpergröße entfaltet. Diese Abfolge der Wirbelsäulenbewegung bewirkt, dass die Schrittlänge vergrößert und somit auch die Geschwindigkeit erhöht wird (Kamimura et al., 2021).

Die Beweglichkeit des Schulterblattes, welches sich in der vertikalen Ebene um etwa 26° drehen kann, führt dazu, dass der Schritt im schnellen Galopp um etwa vier Prozent verlängert wird, im Vergleich zum Gehen. Festzuhalten ist außerdem, dass die Beine des Geparden beim schnellen Galopp relativ weit nach vorne gestreckt sind, wenn sie auf dem Boden aufkommen (Hildebrand, 1961).

Die hohe Beschleunigung erzielt der Gepard durch die großen Bodenreaktionskräfte der Hintergliedmaßen (Fath, 2015). Durch die Streckung jedes Fußes kurz vor dem Abheben vom Boden wird ein Vorwärtsschub erreicht. Dies verleiht dem Schritt sowohl Kraft als auch Schnelligkeit (Hildebrand, 1961). Diese werden sichtbar in der gestreckten Flugphase. Besonders gut sind die Flugphasen in folgendem Video zu erkennen:

Eine weitere Besonderheit der Anatomie des Geparden sind seine nicht einziehbaren Krallen. Diese verhelfen ihm zu mehr Griffigkeit, Stabilität und erhöhen die Reibung beim Rennen. Dies macht sich besonders dann bemerkbar, wenn der Gepard scharfe Kurven nimmt, was aber nie bei Höchstgeschwindigkeiten passiert. Sie fungieren also als Art Stollen. Außerdem sind Geparden in der Lage, in einem einzigen Schritt bis zu 10,8 km/h zu beschleunigen oder bis zu 14.4 km/h zu verlangsamen (Wilson et al., 2013). Bemerkenswert ist außerdem, dass er in der Lage ist, mit nur einem Schritt von 32 km/h auf 0 km/h abzubremsen. Dafür kommen etwa im gleichen Moment die beiden Vorderfüße herunter und danach die beiden Hinterfüße. Die Zehen sind währenddessen gespreizt. (Hildebrand, 1961). Wichtige Antriebsmuskeln sind dabei die Oberschenkelmuskeln Bizeps femoris, Semimembranosus und Semitendinousus. An der Fußwurzel ist vor allem der musculus Gastrocnemius für das Fortbewegen des Geparden verantwortlich. Um ihre Bewegungsmuskeln zu aktivieren, ducken sich Geparden, was sie gleichzeitig beim Sprinten aerodynamisch macht. Die Muskelsarkomere und -fasern verkürzen sich beim Geparden erheblich schneller als bei anderen Tieren. Diese schnelle Muskelkontraktionsgeschwindigkeit ermöglicht die Freigabe großer Muskelkräfte, was in den hohen Beschleunigungen des Tiers endet. Der Schwanz hilft durch seine aktiven Bewegungen bei der Positionierung und Neigung des Körpers. Außerdem ist er dem Gepard eine große Hilfe beim Einleiten und Manövrieren von Kurven (Wilson et al., 2013).

Dennoch kann der Gepard diese hohen Geschwindigkeiten nur über eine kurze Distanz von ein paar Hundert Metern aufrechterhalten. Aufgrund des relativ kleinen Herzens, welches nicht in der Lage ist, die Muskeln des Geparden über einen langen Zeitraum bei hohen Belastungen mit Sauerstoff zu versorgen, ist das Raubtier bereits nach wenigen Sekunden an seiner Leistungsgrenze angekommen. Das hat ebenfalls zur Folge, dass die Körpertemperatur schnell auf 41 °C ansteigt, was ebenfalls zur schnellen Ermüdung des Tieres beiträgt. Eine weitere Besonderheit des Geparden sind seine geringen Energiespeicher. Diese sind so gering, dass er lediglich vier seiner stark belastenden Sprints ausführen kann, bevor er an Erschöpfung und Energiemangel verhungern muss (Podbregar & Lohmann, 2012).

Vergleicht man nun die schnelle menschliche Fortbewegung laufen mit der des Straußes, bleibt die erwartet große Ähnlichkeiten aus. Die anatomischen Bedingungen sind so verschieden, dass ein Nachahmen des erläuterten Pendel-Laufstils für uns Menschen ausgeschlossen ist. Da die Pendelbewegung aber, wie oben erwähnt, einen hohen Einfluss auf die Geschwindigkeit und Effizienz des Vogels hat, lassen sich gewonnene Erkenntnisse über diesen tierischen Laufstil nur sehr begrenzt zum Vorteil des Menschen nutzen.

Gleiches ist beim Vergleich zum Geparden zu betrachten. Die unterschiedlichen anatomischen Voraussetzungen zwischen dem Menschen und dem Geparden machen es unmöglich, dass der Mensch entscheidende Merkmale des Ganges vom Geparden adaptiert.

Wenn auch diese Hauptmerkmale vom menschlichen Läufer nicht kopiert werden können, so gibt es doch Teilaspekte, die sich auch auf den Menschen anwenden lassen.

So gibt es beispielsweise Parallelen zwischen dem Laufvogel und dem Läufer hinsichtlich des Fußaufsatzes. Die extrem geringe Kontaktfläche, die das Tier bei der schnellen Fortbewegung aufweist, findet sich auch im Laufstil mancher Menschen wieder: Dem Vorderfußlauf. Diese Technik, bei der nur der vordere Bereich des Fußes den Boden berührt, hat den Ruf, besonders ökonomisch zu sein (Gruber et al., 2013). Inwiefern die verringerte Reibungsfläche einen signifikanten Unterschied hinsichtlich Laufeffizienz oder Geschwindigkeit macht, möchten wir hier nicht bewerten. Während Gruber et al. (2013) hier eine kritische Position beziehen, bietet die Auseinandersetzung mit diesem Gesichtspunkt Raum für weitere Auseinandersetzung.

Des Weiteren hat auch die nicht einfahrbare Kralle, die wie erwähnt bei beiden Tieren von hoher Bedeutung für den Lauf ist, den Sprung in den Sport geschafft. In Form von Spikes findet sie Anwendung in zahlreichen Laufsportarten, um Bodenhaftung und Laufeffizienz zu erhöhen (Brucker, 2021). Auch an dieser Stelle sind weiterführende Untersuchungen interessant. So stellt sich zum Beispiel die Frage, inwiefern der Mehrwert von Spikes bei Läufern mit dem Mehrwert von Krallen bei den beiden Tieren zu vergleichen ist?

Brucker, P. (2021, 03. August). Spikes: Laufschuhe für Bahn und Gelände. runnersworld. https://www.runnersworld.de/laufschuhe/spikes-fuer-laeufer/

Dack, D.(2017, 10. Juni). The Running Gait Cycle Explained. runnersblueprint. https://www.runnersblueprint.com/running-gait-cycle/

Fath, R. (2015). Höher — tiefer — schneller: Warum der Mensch den Spezialisten im Tierreich unterlegen ist. Pneumo News, 7(3), 58–59. https://doi.org/10.1007/s15033-015-0161-4

Gruber, A. H., Umberger, B. R., Braun, B., Hamill J. (2002). Economy and rate of carbohydrate oxidation during running with rearfootand forefoot strike patterns. Journal of Applied Physiology, 115, 194. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.01437.2012

Hildebrand, M. (1961). Further Studies on Locomotion of the Cheetah. Journal of Mammalogy, 42(1), 84. https://doi.org/10.2307/1377246 Kamimura, T., Aoi, S., Higurashi, Y., Wada, N., Tsuchiya, K. & Matsuno, F. (2021). Dynamical determinants enabling two different types of flight in cheetah gallop to enhance speed through spine movement. Scientific Reports, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41598-021-88879-0

Podbregar, N. & Lohmann, D. (2012). Im Fokus: Strategien der Evolution: Geniale Anpassungen und folgenreiche Fehltritte (Naturwissenschaften im Fokus) (2013. Aufl.). Springer Spektrum.

Schaller,N. (2009, 15. Dezember) https://www.wissenschaft.de/allgemein/auf-zehenspitzen-zum-weltrekord/

Wilson, A. M., Lowe, J. C., Roskilly, K., Hudson, P. E., Golabek, K. A. & McNutt, J. W. (2013). Locomotion dynamics of hunting in wild cheetahs. Nature, 498(7453), 185–189. https://doi.org/10.1038/nature12295

( o.D, Aufrufsdatum: 2.07.2022) https://www.sofatutor.com/biologie/videos/fortbewegung-an-land-sohlen-zehen-und-zehenspitzengaenger

(2022, 2. Juli) https://www.youtube.com/watch?v=rJ0Ex4Xp3gM

(2012, 17. Oktober) https://www.simplyscience.ch/teens/wissen/wie-schnell-kann-ein-mensch-rennen

( 2022, 22. Januar) https://medlexi.de/B%C3%A4nder