Le sinistre, d'origine encore inconnue, a débuté vers 19h30 heure locale (22h30 GMT) alors que le musée était fermé au public, ont indiqué les médias brésiliens.
"Jusqu'à présent, il n'y a pas de rapports faisant état de victimes. Il (le feu) s'est propagé très rapidement. Il y a beaucoup de matières inflammables" dans le musée, a indiqué à l'AFP un porte-parole des pompiers de Rio de Janeiro.
Les images aériennes de TV Globo montrent le majestueux bâtiment, d'une superficie de 13.000 mètres carrés dans la partie nord de Rio de Janeiro, ravagé par d'immenses flammes pendant des heures.
Malgré l'envoi rapide de pompiers, le feu a gagné les centaines de salles du musée, détruisant tout sur son passage. Après plus de trois heures et demie de lutte, les pompiers n'ont toujours pas réussi à contenir l'incendie, a constaté un photographe de l'AFP.
Créé par le roi Jean VI et ouvert en 1818, le Musée National compte parmi les musées les plus anciens et les plus prestigieux du Brésil. Cette institution culturelle et scientifique d'Amérique latine possède plus de 20 millions de pièces de valeur.
Le site internet du Musée National détaille les oeuvres présentes dans le bâtiment: une collection égyptienne, une autre d'art et d'artéfacts gréco-romains, des collections de paléontologie comprenant un squelette d'un dinosaure trouvé dans la région de Minas Gerais ainsi que le plus ancien fossile humain découvert au Brésil, connu sous le nom de "Luzia".
"Aujourd'hui est un jour tragique pour le Brésil. Deux cents ans de travail, de recherche et de connaissance ont été perdus", a déclaré le président Michel Temer dans un communiqué de presse.
Le directeur adjoint du musée, Luiz Fernando Dias Duarte, a confié qu'il ressentait "un profond découragement" et "une immense colère". "Toutes les archives historiques, qui étaient conservées dans un secteur intermédiaire du bâtiment, ont été complètement détruites. Ce sont 200 ans d'histoire qui ont disparu", a-t-il déploré.
M. Dias Duarte a accusé les autorités brésiliennes de "manque d'attention" et a souligné qu'il n'y a jamais eu de "soutien efficace et urgent" à une adaptation du palais, ancienne résidence officielle de la famille royale et impériale.
Lié à l'Université fédérale de Rio de Janeiro (UFRJ), l'institution a subi des coupes budgétaires.
Alors que les flammes consumaient ce joyau de la culture brésilienne, la tristesse s'est mêlée à l'indignation des chercheurs, des professeurs et des étudiants.
Certains d'entre eux ont appelé à une manifestation de protestation lundi devant le bâtiment détruit.
L'incendie "est une tragédie pour la culture", a témoigné à TV Globo le directeur d'un autre musée brésilien, le Musée historique national, Paulo Knauss.
Le sénateur Lindenbergh Farias du Parti des travailleurs (PT, à gauche) a dénoncé le manque de moyens pour soutenir le musée et a fait le lien avec les réductions de dépenses ordonnées par le gouvernement.
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